深度探析英特尔3D封装技术

一说到2D或者3D，总是让人想到视觉领域中的效果，然而在半导体领域，3D技术带来的革命更叹为观止，早些年的FinFET和3D NAND只是个开始。从去年12月初英特尔公布新架构路线，到1月初CES 2019上拿出M.2 SSD大小的整台电脑，这样的速度，你不得不更上!

到底是什么决定着产品质的飞越，销量徘徊不前的PC到底路在何方?英特尔在此次CES上给了大家答案和思考。

“早”在2011年年中，英特尔推出了向空间要性能的Tri-Gate 3D晶体管技术，成为LSI取代电子管之后，半导体制程革命的新标志。该技术就是今天已经广为各大半导体厂商所采用的FinFET。

从2013年开始，多家主流的Flash厂商开始陆续推出3D NAND产品，最早推出该类产品的三星称之为V-NAND。与该技术普及相伴的是MLC向高堆叠TLC的技术演进，SSD进入寻常百姓家。

在这股浪潮中，英特尔/美光并不是十分积极，直到2015年才少量推出了使用相对独特的浮栅技术的3D NAND产品。真正的大招是他们同时宣布，2017年初正式推出成品的3D XPoint技术，英特尔称之为Optane(傲腾)，比单纯的3D NAND只讲求容量增加，更多了一重性能(速度、延迟、寿命)的大幅提升。

可以说，半导体业界近年来每次大的技术飞越，都与3D化——从平面向空间要增长密不可分。而其中，英特尔的角色都是那么的微妙和关键。

刚刚公布就接近产品化的3D封装技术Foveros，将用多么“了不起(Foveros希腊语含义)”的成就改变半导体产业呢?

制程制程，制程是什么?无论是英特尔推演在的14nm、刚刚宣布2019年进入的，还是TSMC于去年下半年开始量产7nm，简单的描述是线宽，是晶片组成的半导体里弄中的道路宽度。路窄不是问题，关键是一方面要能保证车辆正常通行，另一方面还要防止路两侧房间不会隔路“相望”。英特尔不断的14nm制程优化过程，就是路不变窄的情况下，尽可能盖上更多的房间、住下更多的晶体管。同理，7nm的马路虽窄，但若不能很好地隔离不同“房间”间的干扰，房间的实际面积或距离，并不能随同制程改进而缩小，也就是晶体管密度没有增加，一切都等于白搭。

虽然FinFET技术已经完全普及，但是由于大多数CPU或SoC内部结构复杂、同时具有电气性能差异巨大的众多功能模块，FinFET技术只能实现单个晶体管，或者说栅极的空间布局，晶体管本身无法实现多层堆叠，即3D化。在这种情况下，CPU和SoC只能基于单片晶圆生产，同等制程情况下，对应DIE的面积反映出晶体管的数量，间接地呈现芯片性能。这也是摩尔定律已死的理论根源。

3D封装技术，在这里起到了革命性的作用，下面的故事有点像立体种植，把从面积要的产能改为向空间要。

立体种植晶体管，对不起，暂时还不能。3D封装说得很清楚，就是在空间中而不是平面化封装多个芯片。也许你会说，这有什么新鲜的，芯片堆叠技术不是老早之前就被广泛使用了么，无论是DRAM还是NAND，都已广泛采用堆叠技术，特别是NAND已经从128层甚至更多层迈进。而智能手机所使用的SiP芯片，也是将SoC与DRAM堆叠在一起的。

DRAM/NAND堆叠相对简单，由于各层半导体功能特性相同，无论是地址还是数据，信号可以纵穿功能完全相同的不同楼层，就像是巨大的公寓楼中从底到顶穿梭的电梯。存储具有Cell级别的高度相似性，同时运行频率相对不高，较常采用这种结构。

SoC和DRAM芯片的堆叠，采用了内插器或嵌入式桥接器，芯片不仅功能有别，而且连接速度高，这样的组合甚至可以完成整个系统功能，因此叫SiP(System in Package)更准确。SiP封装足够小巧紧凑，但是其中功能模块十分固定，难以根据用户需要自由组合IP模块，也就是配置弹性偏低。

在去年年初，英特尔推出Kaby Lake-G令人眼前一亮，片上集成AMD Vega GPU和HBM2显存的Kaby Lake-G让EMIB(嵌入式多芯片互连桥接)封装技术进入人们眼帘，而该技术还只是2D封装，也就是所有芯片在一个平面上铺开。

现在，英特尔已准备好将3D封装引入主流市场，也就是Foveros。Foveros 3D封装将多芯片封装从单独一个平面，变为立体式组合，从而大大提高集成密度，可以更灵活地组合不同芯片或者功能模块。

多IP组合灵活(异构)，并且占用面积小、功耗低，是Foveros最显著的特点。特别是结合上英特尔10nm制程，摩尔定律从晶体管密度(2D)到空间布局(3D)两个维度得到延续。

Lakefield是英特尔在CES 2019上披露的全新客户端平台的代号，该平台支持超小型主板，有利于 OEM 灵活设计，打造各种创新的外形设计。该平台采用英特尔异构 3D封装技术，并具备英特尔混合CPU架构功能。借助Foveros，英特尔可以灵活搭配3D堆叠独立芯片组件和技术IP模块，如I/O和内存。混合CPU架构将之前分散独立的CPU内核结合起来，支持各自在同一款10nm产品中相互协作：高性能Sunny Cove内核与4个Atom内核有机结合，可有效降低能耗。英特尔宣布预计将于2019年下半年推出使用这种全新3D堆叠技术的产品。

这颗Foveros 3D封装技术打造的硬币大小的芯片，从下至上，依次是封装基底(Package)、底层芯片(Bottom Chip)、中介层(Active Interposer，中介层上的上层芯片可以包括各种功能，如计算、图形、内存、基带等。中介层上带有大量特殊的TSV 3D硅穿孔，负责联通上下的焊料凸起(Solder Bump)，让上层芯片和模块与系统其他部分通信。

该芯片封装尺寸为12mm×12mm、厚1mm，而内部3D堆叠封装了多个模块：基底是P1222 22FFL(22nm改进工艺)工艺的I/O芯片;之上是P1274 10nm制程计算芯片，内部整合了一个Sunny Cove高性能核心、4个Atom低功耗核心;PoP整合封装的内存芯片。据称，整颗芯片的功耗最低只有2mW，最高不过7W，注意，这可是高性能的x86架构芯片，不是ARM的哟!

围绕这颗芯片制成的电脑主板尺寸缩小到一块M.2规格SSD大小，要知道此前Core m SoC平台主板的面积小1/2以上。

同时Sunny Cove 高性能核心将提供用于加速 AI 工作负载的全新集成功能、更多安全特性，并显著提高并行性，以提升游戏和媒体应用体验，特别是其高级媒体编码器和解码器，可在有限功耗内创建4K视频流和8K内容。另外，从Ice Lake开始，英特尔承诺的直接集成Thunderbolt 3和支持Wi-Fi 6(802.11ax)等功能也将落地，全面增强连接性能。

此后，10nm技术将逐步拓展到桌面级产品领域、Foveros 3D封装的Lakefield，而至强可扩展(Xeon Scalable)平台(Ice Lake-SP)则将在2020年进行升级。

随着东京奥运会的临近，英特尔的5G技术也在加紧部署。其中代号为Snow Ridge的首款10nm 5G无线接入和边缘计算的网络系统芯片，将把英特尔的计算架构引入无线接入基站领域，从而充分让其计算功能在网络边缘进行分发。CES 2019上，英特尔展示了基于Snow Ridge平台的一款小型无线基站，整个设备的体积非常小巧，而这颗芯片示Snow Ridge也采用了Foveros 3D封装工艺，交付时间为今年下半年。

新制程与新封装，一直是英特尔称霸半导体领域的基石。2011年的22nm+Tri-Gate，2019年的10nm+Foveros，摩尔定律的世界依然宽广。

等待了数年，英特尔新技术将再次改变世界，起点仍将是集各领域发展前沿于大乘的PC领域。在可以预见的将来，AI加持的CPU仍将是核心计算单元，经过重新构建的CPU架构，无论是从Sunny Cove开始的新一代酷睿微架构，还是Lakefield所展现的混合CPU架构，都极大地平衡了性能与功耗，将高性能、小型化与长续航推向新的高度。在最新发布的一批9代酷睿处理器上，新的“F”后缀产品已经不再集成核显，与Ice Lake走向市场前后脚，英特尔回归独显市场的首款产品Arctic Sound也将上市，随后的13代产品Jupiter Sound更是再推翻番的性能。再加上本地连通的PCI-E 4.0、扩展连接的集成Thunderbolt 3，结合了5G和Wi-Fi 6的“永远在线”，存储上的Optane Memory及Optane SSD，无所不能的PC在英特尔技术的打造下正在浮出水面，PC的世界依然相当精彩。