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对传统2D芯片进行“降维打击”,英特尔3D逻辑芯片封装技术来了

2019/02/15
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当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔 18-24 个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。                -- 戈登·摩尔

摩尔定律的趋势已经持续了超过半个世纪,正当大家以为会继续延伸的时候,它却似乎已经悄悄走进了尾声。能在一片芯片上摆放晶体管的空间变得越来越有限,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。这时候,“好学生”Intel 就提出了这样一种技术 -3D 逻辑芯片封装技术,首次为 CPU 处理器引入了 3D 堆叠式设计,下面与非网小编就和大家好好讲讲这项技术。

当然首先我们要了解的就是,什么是 CPU 封装,以及现有的 CPU 封装技术有哪些?

CPU 封装类型大盘点
众所周知,CPU 封装的类型主要为三种:LGA,PGA,BGA,其中 LGA 封装是最常见的,intel 处理器都是采用这种类型的封装,而 PGA 封装则是 AMD 常用的一种封装类型。

什么是 CPU 的封装?
CPU 的物理结构由晶圆PCB 加上其他电容等单元构成的。

晶圆

至于晶圆为什么是圆的,主要是因为工艺以及后期方便切割以及利用率的考虑。那么切割下来一个小方块就是 CPU 上的一个晶圆了。

 

▲CPU 的物理构成

那么一颗 CPU 晶圆切割下来,与 PCB 连接,然后加上或者不加上保护盖,这就是一个完整的 CPU 了。

但是!一颗 CPU 并不能可以工作了,他需要和主板连接,那么这个与主板连接的方式,就叫做封装。

 

封装的主要类型
封装的类型主要为三种:LGA,PGA,BGA。

LGA:
LGA 的全称叫做“land grid array”,或者叫“平面网格阵列封装”。

▲我们平时常见的 Intel CPU 基本都采用了这样的封装方式。

如:
Intel 自 775 之后的所有桌面处理器

AMD 皓龙、霄龙、TR 等处理器

这种封装方式的特点就是触点都在 CPU 的 PCB 上,而整个 CPU 的背部就像网格一样覆盖在 CPU 背部,而为了能够让主板与 CPU 连通,主板则承担了提供针脚的工作。所以你会看到只要是 LGA 封装的 CPU,针脚必然都在主板上,而且 LGA 的封装由于针脚设计的问题,相对来说比较脆弱,而主板针脚损坏了,就极有可能意味着整个主板的损坏了。

▲修复 LGA 针脚不仅是技术问题,还是眼力问题。

PGA:
PGA 的全称叫做“pin grid array”,或者叫“插针网格阵列封装”。

▲主流的 AMD CPU,老的酷睿移动 MQ 系列基本都采用了 PGA 封装方式。

如:
intel 775 以前的大部分桌面处理器

AMD 几乎全部的家用桌面处理器

intel 大部分以 M,MQ 结尾的移动处理器

和 LGA 相反,PGA 则是把针脚集中在了 CPU 的 PCB 身上,所以你会看到 CPU 身上会有一堆的针脚,而主板只需要提供插入针脚的插孔就好了。而且由于本身需要多次移动,PGA 的针脚相对于 LGA 来说强度会更高,即使出现了弯曲,也能通过相对简单的方法恢复。可以说在保护上 PGA 是比 LGA 好很多的。

BGA:
BGA 的全称叫做“ball grid array”,或者叫“球柵网格阵列封装”。

▲目前绝大部分的 intel 移动 CPU 都使用了这种封装方式。

举例:
intel 所有以 H,HQ,U,Y 等结尾,包括但不限低压的处理器。

AMD 低压移动处理器。

所有手机处理器。

BGA 可以是 LGA,PGA 的极端产物,和他们可以随意置换的特性不同,BGA 一旦封装了,除非通过专业仪器,否则普通玩家根本不可能以正常的方式拆卸更换,但是因为是一次性做好的,因此 BGA 可以做的更矮,体积更小。

 

继续摊大饼?
但是在其他领域,却已经触及到 3D 堆叠式芯片设计了,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。

因此这次 Intel 推出的 Foveros 3D 封装技术可以说给处理器封装领域吹来了一股春风。套用刘慈欣科幻大作《三体》里的一个流行梗,可以说 Intel 站在 3D 的角度上,对传统 2D 芯片发动了一场“降维打击”。它带来了 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。

其实之前 AMD 就有过类似的技术 R9 Fury X,但只是应用了类似的 3D 堆栈式架构来设计的高带宽内存(设计师正是转投到 Intel ,负责领导新的核心与视觉运算业务群的 Raja Koduri),Foverus 架构却是再上一层楼,据 Intel 的说法是可用给更细小的“芯片组”之上,即位于基本芯片顶部的快速逻辑芯片,主于负责电源、I/O、电力传输等工作。首个应用 Foverus 架构的产品更会是 10nm 制程的算子件,定位将会是低功耗产品。

Foveros 3D 封装技术
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。

芯片设计从 2D 平铺转向 3D 堆叠,给产业制造带来了更多可能。在摩尔定律走向终结的情况下,这是一个突破口也未可知。

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