先进封装(advanced packaging)
五十年来,要做出更快、更便宜的芯片,办法只有一个:把晶体管做得更小,在同一块硅片上塞进更多。可这部电梯正在减速:晶体管之间的连线如今卡住了速度,单颗芯片做大到一定程度良率就会崩塌,而存储器又喂不饱处理器。先进封装一举回答了这三个难题。与其孤注一掷地去做一颗越来越大、越来越精细的单片芯片,不如把整个系统拆成若干颗芯片,再在封装内部把它们极其紧密地连起来,让它们表现得几乎像一颗芯片。封装不再只是一个被动的塑料盒子、只负责保护硅片并引出几根管脚,而是成为设计中主动的一环——这正是人们把它称作新一代缩放(new scaling)的原因。
先进封装其实是一把大伞,底下罩着一族让芯片以极短、极密路径相连的技巧。在 2.5D 中,你把几颗芯片并排摆在一块转接板(interposer)之上——这块硅片(或有机基板)相当于一块高密度电路板,其超精细的布线把各颗芯片连得远比普通主板紧密得多;处理器紧挨着它的 HBM 存储堆栈,正是这么实现的。在 3D 中,则改走垂直方向,把芯片一层层叠起来,用硅通孔(TSV)让信号笔直穿上去,或者用混合键合(hybrid bonding)把两颗芯片铜焊盘对铜焊盘地直接熔接在一起,做出比任何焊球都更精细的连接。路径越短,意味着延迟更小、每比特能耗更低,各部分之间的带宽也大得多。
回报是性能与成本两头都赚。把一颗芯片拆成若干颗更小的芯片(芯粒,chiplet),就能在组装前逐一测试、只丢掉坏的那些,从而挽回一颗巨型单片芯片本会白白浪费掉的良率——而且还能混用不同制程节点:把逻辑放在最尖端的节点上,而存储或模拟电路则留在更便宜、更合适的节点上。封装已变得如此关键,以至于最先进的 AI 加速器,其身价既取决于内部的晶体管,也同样取决于它的转接板、HBM 堆栈和键合间距——集成方案如今是芯片竞争力中头等重要的一环,而不再是事后才考虑的附属品。
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先进封装的两副面孔:2.5D 把多颗芯片摊在转接板的精细布线上;3D 则把它们叠起来,用 TSV 和混合键合笔直穿通相连。两者都把芯片之间的连线缩到远短于普通电路板所能做到的程度。
代价是散热与复杂度:把芯片叠起来,等于把好几颗芯片的热量困在同一个地方;而封装也变成了一道必须与硅片协同设计的难题——因此这一方向的进展,越来越多地受制于散热极限和 UCIe 这类标准,而不再只取决于光刻。