從蘋(píng)果M1 Ultra看先進(jìn)封裝技術(shù)

蘋(píng)果在本月初發(fā)布了最新一代的M1 Ultra芯片，采用了獨(dú)特的 UltraFusion 芯片架構(gòu)。借助橋接工藝，這款Ultra芯片擁有 1,140 億個(gè)晶體管，數(shù)量達(dá)到了M1的 7 倍之多。雖然芯片還是采用與上一代M1 max一樣的5nm工藝節(jié)點(diǎn)，但在新架構(gòu)加持下，兩顆 Max 之間的互連頻寬可達(dá) 2.5TB/s。這種架構(gòu)的好處是運(yùn)行在目前M1芯片上的軟件無(wú)需修改相關(guān)的指令就可以直接運(yùn)行，省去了應(yīng)用端更新軟件或開(kāi)發(fā)新應(yīng)用層命令的需求。同時(shí)，增加一個(gè)芯片后，對(duì)內(nèi)存處理的帶寬也直接翻倍，收獲的性能提升非常顯著，特別是針對(duì)GPU處理能力方面，是極具爆發(fā)力的。

蘋(píng)果M1芯片進(jìn)化 （Source：Apple） 近日，評(píng)測(cè)機(jī)構(gòu)也對(duì)比了幾款主流芯片與M1 Ultra的性能。在單核處理能力上，Ultra并不比Max優(yōu)秀。但在多核多線程的性能上，性能翻倍，可以說(shuō)是秒殺上一代芯片。但相關(guān)的功耗并無(wú)披露，在之后的評(píng)測(cè)中可以繼續(xù)關(guān)心相關(guān)性能。

M1 Ultra多核多線程處理能力對(duì)比 （Source：WCCFtech） 從目前透露的信息，并不能確定M1 Ultra來(lái)源于哪種橋接工藝（估計(jì)隨后的Teardown即可見(jiàn)分曉），因?yàn)槟壳鞍═SMC和Intel都有埋入硅橋的類(lèi)似量產(chǎn)工藝。但由于使用的是2個(gè)同樣的芯片，從芯片設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)并不能算嚴(yán)格意義的Chiplet，更多是一個(gè)Multi-die package的設(shè)計(jì)。作者觀點(diǎn)，考慮到臺(tái)積電為Apple主力代工的關(guān)系，采用臺(tái)積電埋入硅橋的可能性較大。從臺(tái)積電宣傳介紹了解到LSI在去年Q1還在做驗(yàn)證，而M1 Max在去年10月左右推出，M1 Ultra今年3月推出，在開(kāi)發(fā)時(shí)間上雖然很緊湊但也并非不可匹配。M1 Max在推出的時(shí)候也預(yù)留了橋接的I/O，加快了M1 Ultra的開(kāi)發(fā)周期。由此可見(jiàn)Ultra早已在1年前或更早時(shí)間就已經(jīng)在蘋(píng)果的計(jì)劃中。

臺(tái)積電的局部硅橋（local silicon interconnect） （Source: 臺(tái)積電） 臺(tái)積電的硅橋技術(shù)分為硅通孔橋和硅上RDL橋。所謂硅通孔橋就是在埋入的硅橋中有TSV，信號(hào)穿過(guò)硅通孔，通過(guò)TSV進(jìn)行橋接。而RDL橋就是在硅上進(jìn)行RDL制備，而為了確?？煽啃院凸に嚰嫒荩壳爸饕慕^緣層材料大多采用ABF或低熱膨脹EMC。

臺(tái)積電局部硅橋（local silicon interconnect） （Source: TSMC） 臺(tái)積電局部硅橋基于晶圓級(jí)硅工藝，比如金屬化和鈍化層形成等仍然是采用IC制造機(jī)臺(tái)，因此其RDL精度非常高，可以輕松實(shí)現(xiàn)2微米線寬。這與Intel的Embedded Multi-Tile Interconnect Bridge（EMIB）工藝完全不同，因?yàn)镋MIB是使用板級(jí)基板工藝機(jī)臺(tái)，雖說(shuō)硅橋本身可以做到2微米線寬，但埋入的后期工藝配合上有些挑戰(zhàn)，本文后面會(huì)介紹。

臺(tái)積電高密度RDL （Source: TSMC） 臺(tái)積電的InFO/CoW我們接收的信息比較多了，很多文章有介紹過(guò)，這里不進(jìn)行詳述。接下來(lái)我們重點(diǎn)看看Intel的EMIB技術(shù)。 早在2011年的一個(gè)封裝國(guó)際會(huì)議上【1】, Intel的工程師就提出了用硅橋連接2個(gè)硅處理器的概念。而當(dāng)時(shí)的版本還未提及埋入這一概念，只是展示了橋接后較好的電性能。對(duì)如何封裝，如何大規(guī)模生產(chǎn)，以及如何保證封裝體的可靠性等都是未知數(shù)。

硅橋連接【1】 但很快，Intel在次年（2012）的一份專(zhuān)利中將目前版本的雛形進(jìn)行了描述【2】。而這份專(zhuān)利直到2015年授權(quán)之后才被公開(kāi)。所以，我們其實(shí)能看到的最早對(duì)EMIB的詳細(xì)描述是Intel在2016年ECTC發(fā)表的論文【3】。在這篇論文中，Intel展示了EMIB的結(jié)構(gòu)，工藝，樣品性能等。通過(guò)這一技術(shù)，EMIB可以實(shí)現(xiàn)與CoWoS類(lèi)似的I/O數(shù)量和帶寬。然而，開(kāi)發(fā)結(jié)合封裝基板技術(shù)與芯片制備技術(shù)的混合芯片封裝體充滿挑戰(zhàn)，即使強(qiáng)大如Intel也花費(fèi)了不少時(shí)間，至今才達(dá)到了能量產(chǎn)的程度。接下來(lái)我們結(jié)合Intel發(fā)表的一些公開(kāi)的論文，試圖管中窺豹。

EMIB內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖【3】 相對(duì)于其他2.5D/3D封裝技術(shù)，EMIB的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)【4】：

然而主要的挑戰(zhàn)在板級(jí)工藝。因此EMIB缺點(diǎn)主要集中在工藝實(shí)現(xiàn)【4】：

EMIB工藝由于搭配了硅和有機(jī)基板工藝，所以在技術(shù)上體現(xiàn)了目前先進(jìn)封裝的一個(gè)主流趨勢(shì) - 融合，特別是前段硅制程與后端封裝制程的融合。從硅橋部分來(lái)看，通常，硅橋的尺寸在2-8毫米左右，而芯片厚度在75微米以下，從而保證跟基板工藝所匹配，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高精準(zhǔn)度的布線和對(duì)準(zhǔn)工藝。目前Intel針對(duì)的是4層布線結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)，能滿足大多數(shù)I/O需要。雖然，目前硅橋上的金屬布線的線間距可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)2微米，進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)微化也是非?？尚械?，因?yàn)榻饘俨季€的結(jié)構(gòu)都是在目前成熟的硅后端工藝中進(jìn)行制造。然而，隨著布線寬度的減小，線電阻會(huì)急劇增加，線間的電容也會(huì)改變，這給信號(hào)的完整性（integrity）增加了挑戰(zhàn)。因此，在進(jìn)行硅橋走線設(shè)計(jì)時(shí)，需要非常詳細(xì)的架構(gòu)設(shè)計(jì)和模擬工作來(lái)保證最終的產(chǎn)品性能。另外，介電層的材料介電常數(shù)和高頻損耗對(duì)布線也有影響。因此，硅橋的設(shè)計(jì)工作是非常挑戰(zhàn)的，它完全不同于目前的硅芯片設(shè)計(jì)師們的日常設(shè)計(jì)理念，而需要懂材料，懂封裝，懂制程和懂信號(hào)完整性的資深工程師（們）來(lái)共同實(shí)現(xiàn)。

硅橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖【4,5】 從硅橋的集成部分來(lái)看大概的工藝流程涉及到幾個(gè)關(guān)鍵步驟：基板的壓合，銅制程，激光以及芯片貼裝的埋入工藝。針對(duì)特殊工藝，Intel開(kāi)發(fā)了自家的埋入封裝（embedded）制程。其實(shí)在當(dāng)時(shí)埋入封裝已經(jīng)不是什么新東西，日本的廠家在早年曾做過(guò)針對(duì)電阻電容的埋入封裝。但由于那時(shí)還是PCB工藝，用的是CO2激光，非常粗糙；鍍銅工藝也相對(duì)落后，根本沒(méi)法做2微米的線寬，自然也不會(huì)有人想到用基板工藝去做芯片的高密度連接。Intel在10年前能想到用硅橋技術(shù)結(jié)合埋入封裝確實(shí)是一個(gè)大膽之舉。在加成法（Additive）鍍銅工藝和Coreless基板工藝成熟后，EMIB的實(shí)現(xiàn)也就水到渠成了。

EMIB工藝示意圖【4】 埋入的過(guò)程由于采用有機(jī)基板工藝，對(duì)公差的控制提出了更高的要求，例如芯片的厚度，芯片的切割，芯片的貼裝，和薄片的轉(zhuǎn)移等都是及其挑戰(zhàn)的，需要獨(dú)有機(jī)器進(jìn)行配合。另外，整體的基板制備是扇出型的大板（FOPLP）封裝形式（500mm X 500mm），對(duì)板級(jí)的工藝一致性要求非常高。然而，在達(dá)到相對(duì)成熟的工藝良率后，產(chǎn)出的成本是相對(duì)較低的。同時(shí)，大板封裝有其先天優(yōu)勢(shì)，適合制造非常大的集成芯片，這與目前的小芯片（Chiplet）技術(shù)上的需求是吻合的。與普通FOPLP不同的是，EMIB并不需要將芯片從臨時(shí)的載板上取下，當(dāng)芯片被貼上之后就是永久固定的，減小了芯片在后續(xù)工序中位移的風(fēng)險(xiǎn)。

埋入在有機(jī)基板中的硅橋【6】 硅橋的芯片雖然只有2-8mm，但是小于75微米的薄片會(huì)由于內(nèi)部的Cu布線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生芯片翹曲。另外，芯片貼裝膜（DAF）的存在也會(huì)直接導(dǎo)致切割后的芯片產(chǎn)生翹曲。因此，如何控制貼裝之后的芯片不產(chǎn)生孔洞及分層，乃至芯片破裂又是一個(gè)挑戰(zhàn)所在。針對(duì)這一要求，Intel開(kāi)發(fā)了針對(duì)這一工序的DAF材料，并通過(guò)優(yōu)化基板銅層的表面，貼裝材料固化工藝和有機(jī)材料的疊層工藝，實(shí)現(xiàn)了可接受的過(guò)程。

無(wú)分層的芯片貼裝截面【6】 在除了以上跟芯片貼裝相關(guān)的精準(zhǔn)控制要求之外，在進(jìn)行大面積高數(shù)量激光鉆孔的對(duì)準(zhǔn)上也極其挑戰(zhàn)。硅橋表面的銅引腳尺寸在50微米左右（或更?。?，而間距（pitch）可能在70微米（或更小）。因此對(duì)激光鉆孔機(jī)器本身的對(duì)準(zhǔn)要求極高。如激光開(kāi)口無(wú)法與硅橋上的銅引腳對(duì)應(yīng)（部分對(duì)應(yīng)也不行），在之后的阻抗匹配和信賴(lài)性的表現(xiàn)上就有可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。當(dāng)然，除了激光通孔，也可以使用掩膜版光刻的形式去形成對(duì)位孔，采用物理刻蝕的方式去形成通孔，而Intel采用何種工藝估計(jì)會(huì)根據(jù)孔的密度來(lái)進(jìn)行選擇。

埋入的硅橋需要精準(zhǔn)的激光鉆孔對(duì)位【6】 在實(shí)現(xiàn)上下通孔后，要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的工序就是進(jìn)行化學(xué)及電化學(xué)銅沉積，這在基板工藝中是成熟工藝。但通孔的尺寸實(shí)在是很小，對(duì)填銅工藝是有挑戰(zhàn)的，當(dāng)液體無(wú)法進(jìn)行充分的離子交換，填銅的速度在整個(gè)500mmx500mm的大板中沉積的速度不一樣時(shí)就會(huì)導(dǎo)致不同的填充厚度。同時(shí)水平和垂直電鍍線的藥水和工藝能力也存在較大差異，相信Intel在開(kāi)發(fā)過(guò)程中在這一工序上沒(méi)少?lài)L試。

硅橋上填充的銅通孔【6】 Intel自家的技術(shù)自然也在自家的產(chǎn)品上積極運(yùn)用。針對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)和人工智能應(yīng)用，Intel在2019年公布了基于Xe架構(gòu)的芯片系統(tǒng)-真的是一個(gè)芯片系統(tǒng)，非常多芯片。該系統(tǒng)被命名為Ponte Vecchio，是用于高性能計(jì)算的下一代加速器。它結(jié)合47個(gè)Magical Tiles，主要由Compute Tiles、Base Tiles、Rambo Cache tile和Xe Link Tiles組成，每個(gè)Tiles都使用不同的制程制造。關(guān)于該芯片的命名，來(lái)源于意大利佛羅倫薩最古老的橋韋基奧橋（Ponte Vecchio），橋最初是以建筑師的名字命名的，類(lèi)似我們中國(guó)貴州的風(fēng)雨廊橋。而Intel以此橋?yàn)槊?，想必是為了體現(xiàn)該系統(tǒng)的經(jīng)典和復(fù)雜，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)中這座橋和周?chē)慕ㄖ且粋€(gè)拜占庭式的龐然大物，橋的兩邊是當(dāng)?shù)氐奶厣ㄖ?，它們通過(guò)這座橋以巧妙的方式相互連接，形成這么一個(gè)古老而又有特殊建筑風(fēng)格的大師級(jí)作品。

Intel芯片架構(gòu)及Ponte Vecchio集成 （Source: Intel） 在Ponte Vecchio芯片中，不僅有EMIB，還有FOVEROS，可謂是當(dāng)今3D集成度頂尖的芯片案例。美國(guó)能源部超級(jí)計(jì)算機(jī)Aurora將以Ponte Vecchio為核心的，每個(gè)Ponte Vecchio系統(tǒng)每秒能夠進(jìn)行超過(guò)45萬(wàn)億次32位浮點(diǎn)運(yùn)算。四個(gè)這樣的系統(tǒng)與兩個(gè)Sapphire Rapids CPU一起構(gòu)成一個(gè)完整的計(jì)算系統(tǒng)。超過(guò)54000個(gè)Ponte Vecchios和18000個(gè)SapphireRapids組合在一起，形成Aurora。

Ponte Vecchio高性能加速器GPU 及其EMIB結(jié)構(gòu)【7】 當(dāng)芯片節(jié)點(diǎn)來(lái)到5nm，僅僅通過(guò)硅工藝來(lái)延續(xù)摩爾定律似乎已經(jīng)捉襟見(jiàn)肘。臺(tái)積電和Intel用先進(jìn)封裝結(jié)合硅工藝給半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)了新的范式，通過(guò)先進(jìn)封裝系統(tǒng)集成給摩爾定律的延續(xù)，提供了一種新的方向。

審核編輯 ：李倩