高楼大厦平地起:Intel 3D立体封装或成CPU转折点

2019年01月22日 22:08 次阅读 稿源:快科技 条评论

半个世纪以来,半导体行业一直在魔鬼般的摩尔定律的指导下飞速前进,工艺、架构、技术不断翻新,但任何事情都有个变化的过程。近年来,整个半导体行业明显感觉吃力了很多,很多老路已经行不通或者跑不快了,要想继续前行,必须拓展新思路、新方向。

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比如说处理器芯片封装,以往大家都是习惯于在一个平面上摊大饼。随着集成模块的多样化、工艺技术的复杂化,这种传统方式越来越难以为继,跳出来走向3D立体的世界也就成了必然。

其实对于3D堆叠式芯片设计,大家应该并不陌生,很多芯片领域都已经做过尝试,有的还发展得极为成熟。最典型的就是NAND闪存,3D堆叠式封装已经做到了惊人的96层,未来还会继续加高,无论容量还是成本都可以更加随心所欲,不受限制。

不过在最核心的CPU处理器方面,受制于各种因素,封装方式一直都没有太大突破,变来变去也都是在一块平面基板上做文章,或者是单芯片,或者是多芯片整合。

最近,Intel提出了革命性的Foveros 3D立体芯片封装技术,首次为CPU处理器引入了3D堆叠式设计,堪称产品创新的催化剂,或将成为CPU处理器历史上一个重要的转折点。

Intel Foveros 3D封装技术带来了3D堆叠的显著优势,可实现逻辑对逻辑(logic-on-logic)的集成,为芯片设计提供极大的灵活性。

它允许在新的设备外形中“混搭”(mix and match)不同工艺、架构、用途的技术IP模块、各种内存和I/O元件,使得产品能够分解成更小的组合,同时将之前分散、独立的不同模块结合为一体,以满足不同应用、功耗范围、外形尺寸的设计需求,以更低的成本实现更高的或者更适宜的性能。

其实在此之前,Intel曾经应用过一种2D集成技术“EMIB”(嵌入式多芯片互连桥接),把不同工艺、功能的IP模块整合到单一封装中,相比传统2D单片设计更有利于提高良品率、提升整体性能、降低成本、加快产品上市速度,典型产品代表就是集成了Intel八代酷睿CPU、AMD Vega GPU图形核心的Kaby Lake-G系列。

Foveros则进化到了3D集成,延续2D集成各种优势的同时,加上全新水平的集成密度和灵活性,首次让逻辑芯片可以堆叠在一起,彻底颠覆并重新构建了系统芯片架构。

在Intel提供的Foveros 3D堆叠封装示意图上,可以清楚地看到这种盖楼式设计的巧妙之处:

最底部的封装基板之上,是核心的基础计算芯片,再往上可以堆叠计算、视觉等各种模块,高性能逻辑、低功耗逻辑、高密度内存、高速内存、传感器、功率调节器、无线电、光电子等等就看你需要什么了,无论是Intel IP还是第三方IP都可以和谐共处,客户完全可以根据需要自由定制。

当然,如何处理不同模块之间的高速互连,确保整体性能、功耗等都处于最佳水平,无疑是非常考验设计能力和技术实力的,TSV硅穿孔、分立式集成电路就是其中的关键所在。

Intel还强调,3D封装不一定会降低成本,但重点也不在于成本,而是如何把最合适的IP放在最合适的位置上,进行混搭,这才是真正的驱动力。

Foveros 3D封装技术将从2019年下半年开始,陆续出现在一系列产品中,未来也会成为Intel芯片设计的重要根基。

首款产品代号为“Lakefield”,也是全球第一款混合CPU架构产品。Intel同时展示了基于该处理器的小型参考主板,称其可以灵活地满足OEM各种创新的设备外形设计。

Lakefield将会结合高性能的10nm运算堆叠小芯片、低功耗的22nm FFL基础硅片,首次展示的参考设计示例中,就集成了CPU处理器、GPU核心显卡、内存控制器、图像处理单元、显示引擎,以及各种各样的I/O输入输出、调试和控制模块。

作为混合x86架构产品,它拥有一个10nm工艺的高性能Sunny Cove CPU核心(Ice Lake处理器就用它),以及四个10nm工艺的低功耗Atom CPU核心,二者既有自己的独立缓存,也共享末级缓存,同时核芯显卡也和Ice Lake一样进化到第11代,不但有多达64个执行单元,功耗也控制得非常低。

除了规格设计上的先进,更让人激动和期待的是它的超小体积和超低功耗。

根据官方数据,Lakefield的封装尺寸今有12×12毫米,也就是一个拇指指甲盖那么大,而基于它的主板参考设计,也是Intel历史上最为小巧的主板,可以完全满足屏幕小于11寸的设备的需求

功耗嘛,按照Intel早前的说法,Lakefield待机的时候只有区区0.002W,几乎可以忽略不计,而最高功耗也不会超过7W,完全可以不需要风扇,自然能设备做得更加轻薄。

芯片设计从2D平铺转向3D堆叠,这就为设备和系统结合使用高性能、高密度和低功耗芯片制程技术奠定了坚实的基础,也为半导体行业的发展和突破打开了一扇新的大门,有了更多的新思路可以探索。

Foveros 3D封装技术的提出,充分说明Intel已经找准了未来芯片设计的新方向,不再拘泥于传统框架,可以更加灵活地设计性能更强、功能更丰富、功耗更低、用途更灵活的不同产品,满足差异化设备和市场需求。

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