布局先進封裝生態系,英特爾看見挑戰與解決方案

作者 | 發布日期 2022 年 05 月 16 日 16:15 | 分類 封裝測試 , 晶圓 , 晶片 line share follow us in feedly line share
布局先進封裝生態系,英特爾看見挑戰與解決方案


處理器龍頭英特爾 (Intel) 指出,隨著數位時代對於運算需求的增長,處理器核心越來越多、效能越來越強大,一個關鍵問題將逐漸浮上檯面,那就是該如何提供足夠的資料吞吐量,才能夠維持高效能、高輸出的運算結果?大數據進一步催生高頻寬、大容量記憶體的需求,但現實情況無法隨心所欲地提升傳輸所需的功耗,需以有效率的方式傳輸大量資料。

英特爾表示,位於處理器核心內部的快取記憶體為靜態記憶體(SRAM)結構,儲存單一位元通常需要 6 個電晶體,享有幾乎與核心一樣快的速度,倘若加大快取記憶體,十分耗能且需要不小的矽晶片面積;在處理器封裝之外的系統記憶體為動態記憶體(DRAM)結構,儲存單一位元僅需要一個電晶體和一個電容,設計上針對容量最佳化,提升速度反而不是件容易的事。兩者間 HBM(High Bandwidth Memory)以 TSV(Through-Silicon Via)堆疊多個晶粒,單一封裝使用 1024bit 匯流排寬度,提供更大空間和更高頻寬,但需要更高密度、更先進封裝技術,盡可能將 HBM 封裝至靠近處理器處。

追求降低每單位位元移動的功耗需求,並持續推動互連頻寬與密度,不僅要求先進封裝需達成全面性的創新,更需要整個產業生態系一同合作,從系統、電路板、封裝再到複合晶粒體(die complex),都有要跨越的城池。英特爾已有推動系統、電路板、封裝、晶粒開發和整合的路線圖,與先進封裝有關的內容。其中包括系統層級──透過改良後的晶粒和封裝架構,降低每單位位元移動時所需功耗、路板層級──整合光學傳輸,以便繼續提升頻寬速度與密度、封裝層級──使用次世代熱界面材料 (TIM) 改善散熱、透過 Coax MIL 提升電源傳輸效率、共同封裝光學傳輸元件、複合晶粒體──提升晶粒間的互連頻寬,並制定相互溝通的產業標準(如UCIe)等。

英特爾強調封裝技術有悠遠歷史,含大量使用的覆晶球柵陣列(FC-BGA), 封裝尺寸可達 56×100mm,基板含 24 層金屬層,未來將朝向 92×92mm 和 26 層邁進。晶片分拆理念不僅能夠針對某個功能區塊使用最佳製程生產,更能夠將來自多家廠商的晶片整合至單一封裝之中,大幅度提升良率和上市時間。為了落實真正的晶粒「隨插即用」(Plug & Play),制定統一晶粒傳輸規範是首要之務。英特爾主導的 UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express)獲得 AMD、Arm、ASE、Google Cloud、Meta、微軟、高通、三星、台積電等眾多廠商支持,讓不同廠商代工廠的晶粒能封裝內相互溝通。

至於異質整合,就是將多個不同功能的主動式晶粒整合至單一封裝,原本散居電路板各處的晶片,聚集在面積更小的單一封裝,對散熱和供電形成挑戰。晶粒間熱阻、緊鄰晶粒傳來的熱干擾,以及堆疊晶粒造成功率密度的提升,都是需要攻克的高牆。最後晶片間 HSIO(High Speed Input / Output)主要透過銅導線傳輸,過去 10 年不斷於封裝和電路板持續創新,如制定短距離(short-reach)和長距離(long-reach)不同版,以至更快標準如 XSR、XSR+。目前銅線傳輸速度最快可達 224Gbps SerDes。

目前需要結合晶片、封裝、系統層級的完全解決方案,並持續縮小間距,達成異質整合,汲取晶粒對晶粒互連標準的優勢。英特爾需更佳設計系統,完成溫度管理和電源供應,需一開始就納入考量,無法事後追加。I/O 傳輸效率的未來,需仰賴光學共同封裝。

(首圖來源:英特爾)