先進封裝(advanced packaging)
五十年來,要做出更快、更便宜的晶片,辦法只有一個:把電晶體做得更小,在同一塊矽片上塞進更多。可這部電梯正在減速:電晶體之間的連線如今卡住了速度,單顆晶片做大到一定程度良率就會崩塌,而記憶體又餵不飽處理器。先進封裝一舉回答了這三個難題。與其孤注一擲地去做一顆越來越大、越來越精細的單晶片,不如把整個系統拆成若干顆晶片,再在封裝內部把它們極其緊密地連起來,讓它們表現得幾乎像一顆晶片。封裝不再只是一個被動的塑膠盒子、只負責保護矽片並引出幾根接腳,而是成為設計中主動的一環——這正是人們把它稱作新一代微縮(new scaling)的原因。
先進封裝其實是一把大傘,底下罩著一族讓晶片以極短、極密路徑相連的技巧。在 2.5D 中,你把幾顆晶片並排擺在一塊中介層(interposer)之上——這塊矽片(或有機基板)相當於一塊高密度電路板,其超精細的佈線把各顆晶片連得遠比普通主機板緊密得多;處理器緊挨著它的 HBM 記憶體堆疊,正是這麼實現的。在 3D 中,則改走垂直方向,把晶片一層層疊起來,用矽穿孔(TSV)讓訊號筆直穿上去,或者用混合鍵合(hybrid bonding)把兩顆晶片銅焊墊對銅焊墊地直接熔接在一起,做出比任何錫球都更精細的連接。路徑越短,意味著延遲更小、每位元能耗更低,各部分之間的頻寬也大得多。
回報是效能與成本兩頭都賺。把一顆晶片拆成若干顆更小的晶片(小晶片,chiplet),就能在組裝前逐一測試、只丟掉壞的那些,從而挽回一顆巨型單晶片本會白白浪費掉的良率——而且還能混用不同製程節點:把邏輯放在最尖端的節點上,而記憶體或類比電路則留在更便宜、更合適的節點上。封裝已變得如此關鍵,以至於最先進的 AI 加速器,其身價既取決於內部的電晶體,也同樣取決於它的中介層、HBM 堆疊和鍵合間距——整合方案如今是晶片競爭力中頭等重要的一環,而不再是事後才考慮的附屬品。
2.5D (side by side on interposer) 3D (stacked vertically)
┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────────────┐ cache/memory
│ Logic│ │ HBM │ │ I/O │ ├──────────────┤ <- bonded face-to-face
└──┬───┘ └──┬───┘ └──┬───┘ │ Logic │ (TSVs + hybrid bond)
┌──┴────────┴────────┴──┐ └──────┬───────┘
│ interposer │ <- fine wires │ package substrate
└───────────┬───────────┘
│ package substrate先進封裝的兩副面孔:2.5D 把多顆晶片攤在中介層的精細佈線上;3D 則把它們疊起來,用 TSV 和混合鍵合筆直穿通相連。兩者都把晶片之間的連線縮到遠短於普通電路板所能做到的程度。
代價是散熱與複雜度:把晶片疊起來,等於把好幾顆晶片的熱量困在同一個地方;而封裝也變成了一道必須與矽片協同設計的難題——因此這一方向的進展,越來越多地受制於散熱極限和 UCIe 這類標準,而不再只取決於微影。