随着先进封装技术的发展，"胶水芯片"技术再次引起了业内的关注和讨论。尽管过去被认为是一种不被认可的技术，但如今它却展现出了巨大的潜力。本文将探讨"胶水芯片"的历史、优势以及其与先进制程的关系。

不久前，华为、苹果等采用自研芯片的手机厂商，纷纷推出了“胶水芯片”相关技术。“胶水芯片”是通过先进封装中的异构集成技术，将两个或者多个芯片用堆叠的方式“粘”在一起而形成的芯片。采用该技术所打造的芯片，能够将多个计算核在不需要额外优化的情况下进行数据互通，是一种有效提升芯片性能，并降低芯片成本的绝佳方案。


在摩尔定律逐步放缓的大背景下，“胶水芯片”一时间成为业内重点关注的技术之一。然而，“胶水芯片”能否真正成为拯救先进制程的“救星”呢？


“胶水芯片”曾经被诟病



“胶水芯片”的概念已有二十几年的历史。在人们专注于将芯片高度集成化的时期，“胶水芯片”并不吃香，甚至被人诟病。


据了解，“胶水芯片”的概念最早起源于1995年。然而，真正将“胶水芯片”概念推向公众视野的，却是一次英特尔迫于市场竞争而采取的无奈之举。据了解，2005年，AMD抢先发布了世界上第一款四核处理器速龙X2。同时，为了能够在市场开拓出新的一片天地，英特尔迅速推出了与AMD的竞争产品——奔腾D，而该产品便是一颗“胶水芯片”。


然而，英特尔这颗“胶水芯片”却并没有得到业内的认可。据悉，奔腾D处理器芯片，是将两颗奔腾4芯片直接焊在了一片电路板上，两颗芯片之间存在严重的传输瓶颈，只能通过主板上的北桥芯片进行“沟通”，导致两颗芯片之间的运算效率极其低下，奔腾D的性能也远不如AMD的速龙X2。这一出名的历史事件，也让人们对“胶水芯片”留下了非常不好的印象。


与此同时，摩尔定律仍在稳步推进，芯片向高度集成方向发展是此时提供降本增效解决方案的主流方式。这也造成了这段时间“胶水芯片”并不吃香。


随着先进封装技术的不断发展，当“胶水芯片”再次“重出江湖”时，却“改头换面”，成为了业内的“宠儿”。


不久前苹果推出的M1 Ultra芯片，是采用堆叠技术将两个M1 Max芯片合二为一，并达到了1+1=2的效果。在造芯之路“狂奔”十余载的苹果，通过先进封装的技术，让芯片在性能和功耗方面均有了很大的突破。M1 Ultra芯片实现了两部分之间2.5TB/s的数据传输带宽，统一内存带宽进一步提升至800GB/s，而晶体管数量更是达到了1140亿，首次突破千亿。


此外，近期华为公司也首次公开了关于“芯片堆叠技术”的专利，即在一颗芯片内将多个芯粒封装在一起，并将其视为未来重点发展的关键核心技术之一。


是无奈之举也是权宜之计



“重出江湖”的“胶水芯片”，为何能“一雪前耻”，成为业内“宠儿”？实际上，这也是在先进制程节点成本越来越高、技术难度越来越大的情况下的一种无奈选择。但是，随着摩尔定律逐步放缓，为了能够有效打造芯片创新技术，“胶水芯片”也不失为是一种权宜之计。


根据DIGITIMES数据评估，28nm工艺建厂花费为60亿美元（约合人民币382亿元）。然而到7nm工艺时，建厂成本却增长至120多亿美元（约合人民币765亿元）。到5nm时，这一数字更是增长至160亿美元（约合人民币1019亿元）。可见，晶圆厂的建设成本十分高昂，且随着芯片制程的逐渐缩小不断攀升。


然而，投入不断攀高的同时，先进制程芯片的良率却难以随之提升。近期，三星被爆出其采用GAA工艺的3nm芯片良率仅在10%~20%之间。与此同时，台积电和三星的4nm工艺芯片也频频被爆出现功耗高等问题。


这一系列先进制程的“翻车”事件，让人们开始把更多目光转向了先进封装领域，通过先进封装技术“粘合”而成的“胶水芯片”，成为了人们重点关注的技术。此外，今日不同往昔，随着制程工艺和封装工艺的发展，各个核心已经可以通过超高的带宽总线进行交流，这使得“胶水芯片”技术，不再停留在“将两个芯片焊在同一片电路板”上，而是能够真正实现芯片性能的提升。


中科院微电子所副所长曹立强向《中国电子报》记者表示，“胶水芯片”的技术不仅能够帮助芯片实现架构设计的创新，还能有效实现芯片内的互联互通，二者是“胶水芯片”所实现的最关键的技术突破。


首先，在架构方面，“胶水芯片”能够打破现有的架构体系，在架构层面对芯片进行系统化的创新设计。这是由于“胶水芯片”能够通过灵活的异构集成技术，将不同芯片种类、不同架构，甚至不同制程工艺的芯片或芯粒（Chiplet），像搭建乐高一样进行“粘合”，从而打造出新的技术。


例如，苹果去年4月公布的一份专利显示，苹果采用与“胶水芯片”相似的技术，利用高度集成的封装方式，打造出了一种重构的3D IC架构，让每个封装层上的单个和多颗裸片，既可以作为功能芯片，也可以作为相邻封装层上多个裸片之间的通信桥梁，实现技术突破。


其次，“胶水芯片”能够实现两个芯片间的互联互通，从而提升芯片整体的系统功能。此前，对于一些处理器芯片而言，其处理器区域、存储器区域、接口区域等不同区域之间的互联互通，需要通过布线和线间的一些协议来达成。而“胶水芯片”则可以通过先进封装技术，在芯片之间形成直接的互联互通，大大增强传输效率。例如，苹果M1 Ultra的芯片，采用台积电的CoWoS-S2.5D封装技术，利用硅中介层完成两个芯片之间的互联，M1 Ultra芯片实现了两部分之间2.5TB/s的数据传输带宽。


先进制程、先进封装共同发展



以先进封装技术为主导的“胶水芯片”的技术如今一跃成为了业内焦点，但这并不意味着“胶水芯片”能够替代先进制程芯片。曹立强认为，在集成电路领域，没有先进和落后的技术，只有成熟工艺和先进工艺的区分，先进封装技术并不会取代先进工艺技术的发展，“胶水芯片”并不能真正成为拯救先进制程的“救星”，而是二者共同发展。


北京超弦存储器研究院执行副院长、北京航空航天大学兼职博导赵超表示，虽然并不是所有芯片都需要用到先进制程，但是在一些特定芯片种类中，对于先进制程的要求是必不可少的。以逻辑芯片和存储芯片为例，逻辑芯片是电子产品中主要的处理引擎,存储芯片是通过在单一芯片中嵌入软件，实现多功能和高性能，功耗和性能对其至关重要，对于先进制程的要求非常高。可见，虽然摩尔定律日趋放缓，但并不意味着对先进制程的需求不同往日。


此外，“胶水芯片”同样也存在着弊端。业内专家认为，如今的移动设备，每一寸面积都可谓是“寸土寸金”，而“胶水芯片”尺寸往往会比较大，对于移动设备的外观、重量、内部结构、散热等方面会提出更高的要求，增加系统整合的难度。因此，“胶水芯片”很难在短时间内在移动设备中替代先进工艺芯片。对于移动设备，特别是手机而言，先进制程芯片仍是主流需求。

"胶水芯片"作为先进封装技术的创新，为芯片设计者提供了新的可能性。虽然它并不能替代先进制程芯片，但它确实是在当前制程成本高企的情况下的一种权宜之计。随着技术的进一步发展，我们可以期待"胶水芯片"的应用范围和性能在未来有更大的突破。


作者丨沈丛
编辑丨连晓东
美编丨马利亚

 

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