還有不到一個(gè)月，英特爾全新一代Meteor Lake系列處理器就要上市了。

作為酷睿品牌下極具里程碑意義的一代產(chǎn)品，這代處理器被英特爾官方寄予厚望，不僅采用了全新的命名規(guī)則（酷睿 Ultra），同時(shí)還用上了目前最先進(jìn)的封裝技術(shù)。

就在最近，英特爾正式對(duì)外展示了酷睿Ultra 1代處理器的部分技術(shù)細(xì)節(jié)，其中最大的亮點(diǎn)，莫過(guò)于處理器中集成的內(nèi)存了。

在Foveros封裝技術(shù)下，這款CPU成品集成了16GB的三星LPDDR5X-7500內(nèi)存，可提供120GB/s的峰值帶寬，甚至比目前頂尖的DDR5-5200與LPDDR5-6400還快。


塞進(jìn)更多晶體管，全靠3D封裝

把內(nèi)存塞進(jìn)CPU，這不是英特爾第一次嘗試。在代號(hào)Sapphire Rapids-HBM的 Xeon Max處理器上，英特爾就集成了64GB的HBM2e內(nèi)存。

這是一款面向高性能計(jì)算（HPC）和人工智能（AI）的高性能芯片，擁有56個(gè)基于Golden Cove架構(gòu)的性能內(nèi)核，在EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge，嵌入式多芯片互連橋接）封裝技術(shù)的幫助下，這些性能內(nèi)核一共構(gòu)成了四個(gè)集群。

據(jù)英特爾稱，Xeon Max配備的HBM內(nèi)存足以滿足最常見(jiàn)的HPC工作負(fù)載，并且與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的同類(lèi)產(chǎn)品對(duì)比中，性能高出4.8倍。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在CPU內(nèi)部的低延遲上集成高速的HBM內(nèi)存，本身就比DDR4、DDR5等內(nèi)存快上不少，在服務(wù)器產(chǎn)品上優(yōu)勢(shì)會(huì)更大。

而最重要的是，集成了HBM內(nèi)存的CPU，在價(jià)格上也更加優(yōu)惠。

不過(guò)作為一項(xiàng)2.5D封裝技術(shù)，EMIB技術(shù)雖然在散熱、成本等方面具有優(yōu)勢(shì)，更適合高存力、高算力的芯片。對(duì)于制程工藝不斷升級(jí)的消費(fèi)級(jí)處理器來(lái)說(shuō)，2.5D封裝技術(shù)并不太適合。

因此除了EMIB封裝技術(shù)外，英特爾還推出了3D封裝技術(shù)Foveros，該技術(shù)通過(guò)使用硅通孔(TSV)，在有源轉(zhuǎn)接板上集成不同類(lèi)型的器件，搭配上更加靈活，同時(shí)提高了核心能力。

在2019年，英特爾首次在處理器平臺(tái)Lakefield上嘗試了Foveros封裝技術(shù)，在指甲蓋大小的芯片內(nèi)塞進(jìn)了1顆大核（Sunny Cove架構(gòu)）和4顆小核（Tremont架構(gòu)）共計(jì)5個(gè)核心，以及LPDDR4內(nèi)存、L2和L3緩存和Gen11 GPU單元，組成了類(lèi)似手機(jī)處理器的SoC系統(tǒng)。

從這里就可以出來(lái)，在3D封裝技術(shù)下，整個(gè)處理器在嵌入更多模塊的前提下，實(shí)現(xiàn)了大幅瘦身。

對(duì)于長(zhǎng)期以來(lái)被吐槽“擠牙膏”的酷睿芯片來(lái)說(shuō)，僅憑制程工藝的提升，顯然跟不上消費(fèi)者的需求，因此將先進(jìn)封裝技術(shù)用在新一代芯片上非常好理解。

不過(guò)從目前網(wǎng)上透露的數(shù)據(jù)來(lái)看，酷睿14代桌面處理器仍然只是13代處理器的頻率提升版本，因此集成了LPDDR5X內(nèi)存的Ultra 1代處理器可能并不會(huì)這么快就面向消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)。


3D封裝成大勢(shì)所趨，技術(shù)挑戰(zhàn)不容小覷

隨著芯片微縮愈加困難，而市場(chǎng)對(duì)芯片高性能的追逐不減，業(yè)界開(kāi)始探索在封裝領(lǐng)域?qū)で笸黄?，所以這幾年，諸如2.5D/3D的先進(jìn)IC封裝技術(shù)已經(jīng)成為代工廠、封測(cè)廠、IDM、芯片設(shè)計(jì)廠商以及EDA廠商都競(jìng)相關(guān)注的一環(huán)。

但由于成本的原因，高級(jí)封裝主要用于高端、面向利基市場(chǎng)的應(yīng)用，如HPC等。3D封裝技術(shù)在HPC等主要的產(chǎn)業(yè)推動(dòng)下迎來(lái)快速發(fā)展。據(jù)Yole 2022Q1發(fā)布的先進(jìn)封裝市場(chǎng)分析報(bào)告，先進(jìn)封裝市場(chǎng)的整體收入預(yù)計(jì)將以10.11%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，從2021年的321億美元增長(zhǎng)到2027年的572億美元。而封裝的各個(gè)細(xì)分類(lèi)別中，尤以2.5D/3D封裝市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率最大，從2021年的67億美元增加到2027年的147億美元，高達(dá)14.34%。

不僅僅是芯片制造過(guò)程的最后一步，封裝正在成為芯片創(chuàng)新的催化劑。3D封裝技術(shù)允許將不同的芯片如CPU、加速器、內(nèi)存、IO、電源管理等像樂(lè)高積木一樣拼湊起來(lái)，其主要優(yōu)勢(shì)是能實(shí)現(xiàn)更好的互連能效，減少訪問(wèn)延遲。例如3D封裝技術(shù)允許在計(jì)算核心附近放置更多的內(nèi)存，因此可以減少總的布線長(zhǎng)度，提高內(nèi)存訪問(wèn)帶寬，改善延遲，提升CPU性能，也因此大大提高了產(chǎn)品級(jí)性能、功耗和面積，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的全面、重新思考。

如今，3D封裝已成為行業(yè)頂尖的芯片企業(yè)如英特爾、AMD、NVIDIA、蘋(píng)果等致勝的關(guān)鍵技術(shù)之一。雖然以3D IC為代表的異構(gòu)封裝已經(jīng)成為未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向，但落實(shí)新技術(shù)要面對(duì)不少棘手的問(wèn)題。相比傳統(tǒng)的封裝技術(shù)，2.5D/3D IC異構(gòu)封裝不僅僅是封裝廠技術(shù)的革新，更為原有的設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)工具、仿真工具等帶來(lái)挑戰(zhàn)。

首先，在進(jìn)行2.5D/3D堆疊之后由于集成度的大幅度提升，發(fā)熱量變得更為集中，散熱是一大問(wèn)題；其次，在芯片、中介層、基板膨脹、冷縮的過(guò)程中，需要保障機(jī)械應(yīng)力的可靠性；再者, 芯片之間的高頻信號(hào)，需要滿足時(shí)序、信號(hào)完整性要求等問(wèn)題；最后，芯片堆疊完成后，還需要測(cè)試上層芯片是否能正常工作，接線是否良好，堆疊過(guò)程中沒(méi)有被損壞等等。這些都是3D封裝需要面對(duì)的難題和挑戰(zhàn)。


3D封裝是全產(chǎn)業(yè)鏈共同配合的大業(yè)

因此，在這樣的背景下，3D封裝就需要供應(yīng)鏈多個(gè)環(huán)節(jié)的支持，包括代工廠、封裝廠、EDA廠商、材料廠商等等。

在3D封裝方面，臺(tái)積電、三星和英特爾這樣的晶圓代工廠是中流砥柱。臺(tái)積電的“3D Fabric”、英特爾的“Foveros”以及三星的“X-cube”是三大代表的3D封裝技術(shù)品牌。根據(jù)市場(chǎng)研究公司 Yole Development 的數(shù)據(jù)，在2022年先進(jìn)封裝的投資排名中，英特爾和臺(tái)積電分別占2022年全球先進(jìn)封裝投資的32%和27%，三星電子排名第四（第三是日月光）。

熟悉臺(tái)積電的都知道，臺(tái)積電將其SoIC(系統(tǒng)整合芯片)、InFO(整合型扇出封裝技術(shù))、CoWoS(基板上晶圓上芯片封裝) 等2.5D和3D先進(jìn)封裝與芯片堆棧技術(shù)整合成為了“3D Fabric”品牌。據(jù)臺(tái)積電2022Q2財(cái)報(bào)說(shuō)明會(huì)，目前臺(tái)積電為HPC應(yīng)用開(kāi)發(fā)的3DIC、SoIC技術(shù)已經(jīng)大部分開(kāi)始被客戶采用，臺(tái)積電還在日本成立了3DIC中心，并于今年6月份舉行了開(kāi)幕儀式。

英特爾已將Foveros 3D封裝技術(shù)用于其Ponte Vecchio和Rialto Bridge GPU 以及 Agilex FPGA中，英特爾表示，采用 3D Foveros 封裝生產(chǎn)的芯片與標(biāo)準(zhǔn)單片（單芯片）芯片設(shè)計(jì)相比，在某些情況下具有極強(qiáng)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。英特爾于2021年5月宣布將斥資35億美元用于新墨西哥Foveros晶圓廠。

三星在3D封裝方面的核心競(jìng)爭(zhēng)力來(lái)自于TSV和 PoP技術(shù)。2022年6月，三星成立半導(dǎo)體封裝工作組，顯示了三星對(duì)包括3D封裝在內(nèi)的先進(jìn)封裝的看重。

除了代工廠，傳統(tǒng)的封裝廠商也在積極向3D封裝技術(shù)過(guò)渡。封測(cè)龍頭日月光是較具實(shí)力的一員。2022年6月封測(cè)龍頭日月光推出VIPack 3D先進(jìn)封裝平臺(tái)，它是由六大核心封裝技術(shù)組成，包括日月光基于高密度RDL 的Fan Out Package-on-Package (FOPoP)、Fan Out Chip-on-Substrate (FOCoS)、Fan Out Chip-on-Substrate-Bridge (FOCoS-Bridge) 和Fan Out System-in-Package (FOSiP)，以及基于硅通孔(TSV) 的2.5D/3D IC 和Co-Packaged Optics。其他封測(cè)廠如安靠、長(zhǎng)電科技、通富微電等也在3D封裝領(lǐng)域蓄力。

此外，要制造3D芯片，需要在制造設(shè)備和原材料領(lǐng)域出現(xiàn)新的技術(shù)創(chuàng)新。關(guān)鍵的重要材料之一是用于多枚芯片連接的ABF載板。ABF載板是IC載板中的一種，ABF載板可做線路較細(xì)、適合高腳數(shù)高訊息傳輸?shù)腎C，具有較高的運(yùn)算性能，主要用于CPU、GPU、FPGA、ASIC等高運(yùn)算性能芯片。近幾年如Chiplet等技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，對(duì)ABF載板的需求加大，另外也存在如何提高連接速度、改善散熱性和成本削減等課題。目前包括欣興、景碩、南電、Ibiden、Shinko、AT&S等主要ABF載板供應(yīng)商都進(jìn)行了一定的擴(kuò)產(chǎn)。

IC載板是一種介于IC半導(dǎo)體及PCB之間的產(chǎn)品，作為芯片與電路板之間連接的橋梁，可以保護(hù)電路完整，同時(shí)建立有效的散熱途徑。

但是3D IC封裝所面臨的難題，有時(shí)候單靠制造端是解決不了的，需要在芯片設(shè)計(jì)的一開(kāi)始就提前規(guī)劃。3D IC封裝將不僅僅是“封裝”一個(gè)環(huán)節(jié)的事情，其更多體現(xiàn)在芯片和封裝的協(xié)同配合。

3D IC封裝最根本的挑戰(zhàn)來(lái)自于應(yīng)用工具數(shù)據(jù)庫(kù)的轉(zhuǎn)變。芯片通用的GDS格式與PCB使用的Gerber格式有著根本上的差別，需要重新整合解決方案，以滿足先進(jìn)封裝要求。此外，規(guī)模增長(zhǎng)帶來(lái)的復(fù)雜性也是需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。在做多晶粒(multi-die)時(shí)，面對(duì)日益龐大的系統(tǒng)，需要考慮能否承擔(dān)并驗(yàn)證。還有一個(gè)值得注意的就是設(shè)計(jì)規(guī)劃，將多個(gè)芯片怎樣連接起來(lái)，用哪些工具去規(guī)劃，哪個(gè)文檔是正式“黃金參考”版本，都是需要事先確立的。只有確立了規(guī)劃，才能夠進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證。此時(shí)就凸顯出EDA工具的重要性。

而這些正是西門(mén)子EDA這樣的EDA廠商的價(jià)值所在，西門(mén)子EDA有一套成熟的端到端的EDA解決方案，結(jié)合其Xpedition, HyperLynx和Calibre技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了快速有效的設(shè)計(jì)至GDS 簽核。例如，在芯片仿真驗(yàn)證階段，結(jié)合西門(mén)子HyperLynx和Calibre系列工具，可以處理die、package和PCB仿真的協(xié)同問(wèn)題，而不再是專注于單一設(shè)計(jì)領(lǐng)域；在芯片封裝設(shè)計(jì)布局階段，西門(mén)子X(jué)pedition Package Designer提供高效能的先進(jìn)封裝技術(shù)支持，以及智能布局功能，能提升封裝設(shè)計(jì)布局效率并縮短布局時(shí)間；在測(cè)試階段西門(mén)子EDA Tessent 工具平臺(tái)基于工業(yè)分析，為3D IC提供集成并且流暢的EDA解決方案，通過(guò)靈活而完備的測(cè)試組合，實(shí)現(xiàn)提高測(cè)試覆蓋率、降低測(cè)試成本、追蹤良率問(wèn)題的目標(biāo)。

與此同時(shí)，EDA廠商與代工廠和封裝廠的協(xié)同合作也愈發(fā)重要。在這方面，西門(mén)子EDA已與臺(tái)積電、三星以及日月光等積極展開(kāi)合作，為他們提供生態(tài)上的支持。


先進(jìn)封裝為封測(cè)市場(chǎng)帶來(lái)核心增量

天風(fēng)證券潘暕在4月7日的研報(bào)中表示，后摩爾時(shí)代，芯片性能提升難度增加，產(chǎn)生較大算力缺口，Chiplet通過(guò)同構(gòu)擴(kuò)展提升晶體管數(shù)量或異構(gòu)集成大算力芯片兩大方案助力算力成倍&指數(shù)級(jí)提升，滿足ChatGPT大數(shù)據(jù)+大模型+大算力需求。先進(jìn)封裝技術(shù)是Chiplet實(shí)施的基礎(chǔ)和前提，將成為封測(cè)行業(yè)未來(lái)主要增量。

據(jù)Frost & Sullivan數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，中國(guó)大陸封測(cè)市場(chǎng)2021-2025E CAGR 約為7.5%，2025年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到3552億元，占全球封測(cè)市場(chǎng)約為75.6%。其中，中國(guó)大陸先進(jìn)封裝市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速，2021-2025E CAGR約為29.9%，預(yù)計(jì)2025年中國(guó)先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模為1137億元，占比中國(guó)大陸封裝市場(chǎng)約為32.0%。

先進(jìn)封裝主要包括扇出晶圓級(jí)封裝（FO）、晶圓片級(jí)芯片規(guī)模封裝（WLCSP）、2.5D/3D封裝和系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）等，可以在增強(qiáng)芯片性能效用的同時(shí)降低成本、保證良率，是后摩爾時(shí)代芯片發(fā)展的核心技術(shù)之一。在Chiplet的系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)設(shè)計(jì)下，通過(guò)2.5D/3D堆疊等先進(jìn)封裝技術(shù)，使用10nm工藝制造出來(lái)的芯片可以達(dá)到7nm芯片的集成度，同時(shí)研發(fā)投入和一次性生產(chǎn)投入則比7nm芯片的投入要少的多。

浙商證券蔣高振在2月3日的研報(bào)中表示，現(xiàn)階段，我國(guó)尚未突破先進(jìn)制程的瓶頸，通過(guò)Chiplet技術(shù)，可以嘗試通過(guò)成熟制程結(jié)合Chiplet技術(shù)，實(shí)現(xiàn)部分先進(jìn)制程下的性能，為國(guó)內(nèi)芯片制造業(yè)提供彎道超車(chē)機(jī)會(huì)。

在測(cè)試領(lǐng)域，東莞證券劉夢(mèng)麟在3月28日的研報(bào)中表示，相比SoC封裝，Chiplet方案涉及大量裸芯片，封測(cè)過(guò)程需要將每一個(gè)單獨(dú)的Chiplet die進(jìn)行CP測(cè)試，否則任意一die失效都會(huì)使整個(gè)封裝失效，提高成本代價(jià)。Chiplet測(cè)試量的增加將充分帶動(dòng)芯片測(cè)試需求量增長(zhǎng)。