第9期 2019/08/12
內(nèi)存主導(dǎo)半導(dǎo)體行業(yè)，同時(shí)推動(dòng)封裝工藝發(fā)展
2019年的Semicon大會(huì)上曝出不少有趣的消息。曾供職于英特爾、目前效力于Doller咨詢集團(tuán)的Ed Doller表示，目前生產(chǎn)出的大多數(shù)晶體管都被用于內(nèi)存技術(shù)領(lǐng)域，特別是DRAM與NAND閃存。下圖為他發(fā)給我的VLSI Research統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)圖表。從2005年到2015年，NAND閃存的晶體管比例由34%增長(zhǎng)至近80%。
從圖表中可以看出，晶體管產(chǎn)量的增長(zhǎng)主要用于供應(yīng)內(nèi)存需求。
在2019年的Semicon大會(huì)上，英特爾公司主辦了一場(chǎng)關(guān)注半導(dǎo)體封裝的特別活動(dòng)。隨著傳統(tǒng)半導(dǎo)體規(guī)模的不斷放緩，芯片之間的具體封裝與通信方法，成為滿足2020年這十年當(dāng)中大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等技術(shù)帶來的爆炸性需求增長(zhǎng)的關(guān)鍵。目前，大部分高電流封裝設(shè)計(jì)的主要特征，在于采用更大的封裝級(jí)集成規(guī)模與SoC拆分。英特爾公司目前的部分重要目標(biāo)在于開發(fā)新型技術(shù)，從而在封裝中將不同芯片對(duì)接起來以形成等同于SoC單片的功能。
目前關(guān)于封裝技術(shù)的關(guān)注焦點(diǎn)包括：超薄/小尺寸客戶產(chǎn)品封裝（例如智能手機(jī)與可穿戴設(shè)備）、強(qiáng)大的交付架構(gòu)、在使用高速信號(hào)時(shí)對(duì)發(fā)熱量的控制、芯片互連的密度與間距縮放、以及使用來自多個(gè)異構(gòu)設(shè)備來源的多種設(shè)計(jì)等。下圖所示為英特爾方面發(fā)布的一份文稿，其中闡述了從傳統(tǒng)PCB集成到異構(gòu)封裝（包括DRAM與NAND）的轉(zhuǎn)變。異構(gòu)封裝使得電子元件的物理面積更小、能效更高且性能更強(qiáng)。
英特爾異構(gòu)封裝
除了縮小集成電路的物理面積之外，目前的封裝工藝也越來越薄，這一點(diǎn)往往通過削薄并堆疊晶片、并在芯片背面構(gòu)建某些結(jié)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)。此外，性能選項(xiàng)也在不斷增加。所謂帶寬密度，是指線數(shù)據(jù)速率乘以所謂布線密度（每毫米IO數(shù)值）所得出的結(jié)果，并以GBps/mm表示。下圖展示了幾種設(shè)備類型（特別是存儲(chǔ)設(shè)備）的帶寬密度。
英特爾帶寬圖表
目前業(yè)界正從典型的有機(jī)封裝（FCGBA）轉(zhuǎn)向更為先進(jìn)的超密度GCBGA（WIP），后者在有機(jī)基板上利用新型設(shè)備與光刻工藝以將IO/mm/層從23至48提升至64至256。采用嵌入式芯片的方法，代工廠能夠在EMIB高密度板的封裝之內(nèi)采用密度極高的布線，其IO密度可以達(dá)到256至1024 IO/mm/層。此外，英特爾公司也一直在探索其3D芯片堆疊版本，并將此命名為Feveros。如下圖所示（含橫截面），F(xiàn)everos可以與EMIB結(jié)合使用。
英特爾封裝選項(xiàng)
縮短處理器與存儲(chǔ)器之間的距離能夠顯著提高性能，這種設(shè)計(jì)在降低延遲以及提高功率效率方面體現(xiàn)得尤其突出。通過這種方式，我們不再需要將大量功率用于數(shù)據(jù)在處理器與存儲(chǔ)器之間的往來傳輸身上。英特爾公司致力于通過Feveros芯片堆疊等方式實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與處理器的集成。目前，高帶寬、低功率密集并行鏈路（例如高帶寬存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱HBM）的廣泛采用正在推動(dòng)市場(chǎng)對(duì)于晶片間高密集互連的需求。
通過下圖可以看出，并行互連HBM能夠帶來遠(yuǎn)優(yōu)于串行互連DDR接口的低延遲與低功耗水平。這種高密度并行互連方法主要受到布線密度、鏈路長(zhǎng)度、線寬、線與線之間間隔以及線之間電介質(zhì)性質(zhì)等因素的影響。
串行DDR與并行HBM在延遲與功耗水平方面的比較
下圖總結(jié)了幾種能夠使處理器與存儲(chǔ)器盡可能貼近的多芯片互連方法，分別為高密度垂直互連、全校準(zhǔn)通孔（ZMV）橫向互連以及全向互連（ODI）。
高級(jí)封裝互連
絕大多數(shù)半導(dǎo)體晶體管能夠支持多種內(nèi)存技術(shù)，特別是DRAM與NAND。而英特爾方面在本屆Semicon大會(huì)上展示的各項(xiàng)高級(jí)封裝技術(shù)，則能夠進(jìn)一步在內(nèi)存與處理系統(tǒng)之間建立起高性能連接。
本文章選自《數(shù)字化轉(zhuǎn)型方略》雜志，閱讀更多雜志內(nèi)容，請(qǐng)掃描下方二維碼
