以先进封装技术为抓手 英特尔推动计算的指数级创新

作者:李祥敬   【原创】   2019-09-09 10:49:03

关键字: 封装 英特尔

通过先进封装技术,英特尔希望在最需要的目标IP模块上应用最新工艺,与单片设计的单独工艺和结构分离。英特尔的先进封装技术将与其世界级制程工艺相结合,成为芯片架构师的创意调色板,助力客户释放创新力,走向计算新时代。

至顶网计算频道 09月09日 新闻消息(文/李祥敬):在数据中心和物联网的人工智能处理等方面,通用芯片已无法满足计算需求,定制化便愈发关键。先进封装将比过去发挥更重大的作用。在制程和封装领域,英特尔将以跨晶体管、封装和芯片设计的协同优化进步,推动摩尔定律的新时代发展。

在今年的SEMICON West大会上,英特尔推出了一系列全新封装基础工具,包括将EMIB和Foveros技术相结合的创新应用(Co-EMIB),全方位互连(ODI)技术,和全新裸片间接口(MDIO)技术。

以先进封装技术为抓手 英特尔推动计算的指数级创新

英特尔通过先进的封装和系统集成技术,把多样化的标量(scalar)、矢量(vector)、矩阵(matrix)和空间(spatial)计算架构组合部署到CPU、GPU、加速器和FPGA芯片中,并通过可扩展的软件堆栈释放强大的能力。

多元化计算时代的六大技术支柱

当今世界,数据产生的速度和规模,远远超出了我们分析、理解和帮助保护这些数据的能力。数据量的爆发、数据形态的革命性变化,以及AI、5G、自动驾驶、物联网等层出不穷的新应用,都对计算提出了全新需求。一个以数据为中心的、更加多元化的计算时代正在到来。

任何单一因素,都不足以满足多元化的计算需求。面向未来,英特尔全方位推动计算创新,驱动计算性能的指数级提升,这扎根于六大技术支柱:制程和封装,架构,内存和存储,互连,软件,安全。英特尔正在将这一创新引擎运用于整个工程部门,落实将于明年和未来推出的全新创新产品与技术规划。

以先进封装技术为抓手 英特尔推动计算的指数级创新

英特尔制程及封装部门技术营销总监Jason Gorss告诉记者,在过去英特尔关注CPU和PC,现在正在快速转化为一个新的商业模式,即以数据为中心驱动智能互联的世界。“在PC时代,我们的技术创新很大程度上是依赖于晶体管密度提高和CPU架构的创新。但是走向数据驱动的时代,我们必须要建立起全新路径,这是我们为什么提出英特尔六大技术支柱的全新目标。”

在制程和封装层面,制程和封装可以说是六大技术支柱的重要核心,也是最基础的一个要素。在制程和封装领域,英特尔要做的创新集中在晶体管和封装两大领域。先进的封装解决方案在三维空间中扩展晶体管密度,将赋予英特尔指数级提升计算密度的能力。

在架构层面,英特尔过去一直通用的就是x86架构,但是进入到新时代,更多不同架构的组合呼之欲出,以满足更加专属的特定领域的需求,包括像FPGA、图像以及人工智能加速器等等。

在内存和存储领域,英特尔希望开发更加领先的技术和产品,将内封存储芯片和英特尔傲腾技术结合在一起,继续消除传统内存和存储层级结构中的固有瓶颈,填补内存层级中的空白,同时也可以实现加速互连,从而在更靠近硅芯片的地方提供带宽。

在互连层面,数据之间的互连和流通是非常重要的,这也是为什么英特尔在互连领域要投资不同层级的互连技术,可以更好满足在数据层面或者是封装内的数据流通。

在软件层面,实现硬件的最高性能,软件是非常重要的一个环节。对于全新硬件架构的每一个数量级的性能提升潜力,软件能带来两个数量级的性能提升。英特尔在全球已经有超过1.5万名工程师,不断加强软件领域的创新。

在安全层面,任何创新技术,安全都是重要的要素,因为它可以为其他发展提供可靠的基础。

先进封装成为产品创新的催化剂

作为处理器和主板之间的物理接口,封装为芯片的电信号和电源提供了一个着陆区。芯片封装在电子供应链中看似不起眼,却一直发挥关键作用。多年来业界并没有在先进封装上投入太多精力,但近年来情况发生了变化。

在以数据为中心的时代,先进封装将比过去发挥更重大的作用,已成为各公司打造差异化优势的一个重要领域,以及一个能够提升性能、提高功率、缩小外形尺寸和提高带宽的机会。

以先进封装技术为抓手 英特尔推动计算的指数级创新

英特尔集团副总裁兼封装测试技术开发部门总经理Babak Sabi表示,英特尔是一家垂直集成的IDM厂商,可以说具备六大技术优势当中的全部领域的专门技术细节。这也给英特尔提供了无与伦比的优势,从晶体管再到整体系统层面的集成,英特尔可以说能够提供全面的解决方案。

IDM厂商可以以一套通用的工具实现共同的目标:协同优化的制程技术和产品;协同优化的架构和软件;实现最佳的性能、功耗、安全;让产能快速攀升。Babak说,英特尔IDM在异构集成时代是不可否认的优势。”我们的方法是整体和全面的,确保产品可以轻松集成到客户的平台:英特尔广泛的封装技术组合支持各个细分市场;英特尔封装解决方案针对客户制造环境进行设计、优化和验证。“

先进的封装技术能够集成多种制程工艺的计算引擎,实现类似于单晶片的性能,但其平台范围远远超过单晶片集成的晶片尺寸限制。这些技术将大大提高产品级性能和功效,缩小面积,同时对系统架构进行全面改造。封装不仅仅是制造过程的最后一步,它正在成为产品创新的催化剂。

Babak还表示,测试和验证在IC开发过程当中变得越来越关键。英特尔拥有非常完整的表面贴装技术开发产品线,通过表面贴装技术在英特尔内部的实现,可以确保所有的封装在正式交付客户之前都经过完整的组装以及测试。“异构集成技术为我们的芯片架构师提供了前所未有的灵活性,使之能够在新的多元化模块中将各种IP和制程技术与不同的内存和I/O单元混搭起来。英特尔的垂直集成结构赋予了我们无与伦比的强大能力,让我们能够对架构、制程和封装同时进行优化,从而交付领先的产品。”

异构计算时代的多芯片封装架构

以先进封装技术为抓手 英特尔推动计算的指数级创新

英特尔院士兼技术开发部联合总监Ravindranath(Ravi) V. Mahajan表示,英特尔的封装愿景是开发和拥有领先技术,是利用先进技术将芯片和小芯片封装在一起,达到单晶片系统级芯片(SOC)的性能。为了做到这一点,我们必须确保在整个裸片上的小芯片连接必须是低功耗、高带宽而且是高性能的。

应该说,对高带宽、低功耗IO链路的需求推动了对先进多芯片封装(MCP)架构的关注。而轻薄/小巧的客户端封装;高速信号;互连微缩——密度和间距(高密度、高带宽互连)就成为了封装技术的重点。

基于此,英特尔EMIB(嵌入式多芯片互连桥接)通过2D封装和Foveros 3D封装技术利用高密度的互连技术,实现高带宽、低功耗,并实现相当有竞争力的I/O密度。而英特尔Co-EMIB融合2D和3D,将更高的计算性能和能力连接起来,基本达到单晶片性能。

”整个业界都在不断推动先进多芯片封装架构的发展,更好地满足高带宽、低功耗的需求。EMIB、Foveros和Co-EMIB是构建高密度MCP的关键基础技术。“Ravi说,”除此以外我们还有先进的IO技术和高密度的封装技术可以进行协同设计,像AIB、MDIO。我们的封装技术不仅可以实现向上以及向外的同时扩展,也可以把不同的逻辑计算单元放在同样的封装里,这是实现异构计算元素向外、向上扩展的重要技术。“

以先进封装技术为抓手 英特尔推动计算的指数级创新

英特尔封装研究事业部组件研究部首席工程师Adel Elsherbini解释说,在MCP中,互连技术至关重要。封装互连技术有两种主要的方式,一种是把主要的相关功能在封装上面进行集成。其中一个就是把电压的调节单元从母板上移到封装上面,实现全面集成的电压调节封装。另外一个是称之为SOC片上系统分解的方式,其会把具备不同功能属性的小芯片来进行连接,并放在同一封装里,通过这种方法可以实现接近于单晶片的性能和功能。

Adel说,不管是选择哪一种实现路径,都需要我们做到异构集成和专门的带宽需求,而异构集成和专门的带宽需求也可以帮助我们去实现密度更高的多芯片集成。具体微缩的方向有三种:一种是用于堆叠裸片的高密度垂直互连,它可以帮助我们大幅度的提高带宽,同时也可以实现高密度的裸片叠加。第二种是全局的横向互连。在未来随着小芯片使用的会越来越普及,我们也希望在小芯片集成当中保证更高的带宽。第三个是全方位互连,通过全方位互连可以实现我们之前所无法达到的3D堆叠带来的性能。

MDIO和AIB是领先的IO技术,利用英特尔的高密度MCP技术组合进行协同设计。这些技术共同为我们提供了向上和向外扩展异构计算元素的架构功能。英特尔名为MDIO的全新裸片间接口技术基于其高级接口总线(AIB)物理层互连技术,支持对小芯片IP模块库的模块化系统设计,能够提供更高能效,实现AIB技术两倍以上的响应速度和带宽密度。

理想情况下,一个多芯片封装的性能会尽可能接近单晶片IC,但物理和成本限制驱动着对互连和协议的选择。Adel说,先进互连封装研究有三个微缩方向扩展每立方毫米上的功能并实现类似于单晶片的性能:用于堆叠裸片的高密度垂直互连;实现大面积拼接的全横向互连(ZMV);带来高性能的全方位互连(ODI)。这些不同的技术针对不同的应用需求,但并非互斥,甚至可以有针对性地组合使用。”业界需要一个统一小芯片互连的标准,英特尔希望贡献自己的力量。“

英特尔的全新全方位互连技术(ODI)为封装中小芯片之间的全方位互连通信提供了更大的灵活性。顶部芯片可以像EMIB技术下一样与其他小芯片进行水平通信,同时还可以通过硅通孔(TSV)与下面的底部裸片进行垂直通信。这种方法减少了基底晶片中所需的硅通孔数量,为有源晶体管释放了更多的面积,并优化了裸片的尺寸。

结语

通过先进封装技术,英特尔希望在最需要的目标IP模块上应用最新工艺,与单片设计的单独工艺和结构分离。英特尔的先进封装技术将与其世界级制程工艺相结合,成为芯片架构师的创意调色板,助力客户释放创新力,走向计算新时代。

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