多年來(lái)，封裝技術(shù)并未受到大眾的廣泛關(guān)注。但是現(xiàn)在，尤其是在AI芯片的發(fā)展過(guò)程中，封裝技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。2.5D封裝以其高帶寬、低功耗和高集成度的優(yōu)勢(shì)，成為了AI芯片的理想封裝方案。
在2.5D封裝領(lǐng)域，英特爾的EMIB和臺(tái)積電的CoWoS是兩大明星技術(shù)。眾所周知，臺(tái)積電的CoWoS產(chǎn)能緊缺嚴(yán)重制約了AI芯片的發(fā)展，這正是英特爾EMIB技術(shù)可以彌補(bǔ)的地方。本文我們將以英特爾EMIB為例，深入解析2.5D封裝之所以能成為AI芯片的寵兒的原因。
為何EMIB是AI領(lǐng)域的理想選擇？
2.5D封裝并不是一個(gè)全新的概念，但它在AI芯片領(lǐng)域的應(yīng)用卻煥發(fā)出了新的生命力。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，2.5D封裝是一種通過(guò)硅中介層（Silicon Interposer）或嵌入式橋接技術(shù)（如英特爾的EMIB）將多個(gè)芯片水平連接起來(lái)的技術(shù)。與傳統(tǒng)的2D封裝相比，它允許在單一封裝內(nèi)集成更多功能單元，比如CPU、GPU、內(nèi)存（HBM）和I/O模塊；而與復(fù)雜的3D堆疊相比，它又避免了過(guò)高的制造難度和熱管理挑戰(zhàn)。這種“不上不下的中間狀態(tài)”恰恰為AI芯片提供了完美的平衡。
AI芯片的一個(gè)顯著特點(diǎn)是需要高帶寬和低延遲的芯片間通信。例如，訓(xùn)練一個(gè)深度學(xué)習(xí)模型時(shí)，GPU需要與高帶寬存儲(chǔ)器（HBM）快速交換數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的封裝技術(shù)往往受限于互連帶寬和功耗。2.5D封裝通過(guò)在芯片間引入高密度互連通道，顯著提升了數(shù)據(jù)傳輸效率，同時(shí)保持了相對(duì)簡(jiǎn)單的制造流程。這使得它特別適合AI加速器和數(shù)據(jù)中心處理器等高性能應(yīng)用。
“我經(jīng)常被問(wèn)到一個(gè)問(wèn)題：為什么EMIB是AI領(lǐng)域的理想選擇？是什么讓這項(xiàng)技術(shù)對(duì)這些應(yīng)用如此適合？”英特爾先進(jìn)系統(tǒng)封裝與測(cè)試事業(yè)部副總裁兼總經(jīng)理Mark Gardner表示。他通過(guò)一張圖詳細(xì)解析了EMIB作為AI加速器理想封裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并總結(jié)了EMIB的五大關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：
第一，成本更低。EMIB采用小型硅橋連接芯片，一個(gè)晶圓上就能生產(chǎn)數(shù)千個(gè)橋接單元，極大提高了利用率。相比之下，傳統(tǒng)晶圓級(jí)封裝在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如含12個(gè)HBM堆疊和多個(gè)光罩芯片的大型封裝）時(shí)，成品率低且浪費(fèi)嚴(yán)重。而EMIB不僅提升了良率，還能在HBM數(shù)量增加時(shí)，展現(xiàn)出成本優(yōu)勢(shì)的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。
第二，更高良率。與其他2.5D技術(shù)相比，EMIB減少了復(fù)雜的工藝步驟。傳統(tǒng)晶圓級(jí)封裝需要“芯片對(duì)晶圓”（Chip-on-Wafer）流程，涉及模具、凸點(diǎn)等多重工序，增加了出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。EMIB簡(jiǎn)化了這些步驟，自然帶來(lái)了更高的生產(chǎn)穩(wěn)定性。
第三，更快生產(chǎn)周期。更少的工藝步驟不僅提升良率，還縮短了生產(chǎn)時(shí)間。與動(dòng)輒數(shù)天的傳統(tǒng)流程不同，EMIB能將周期縮短數(shù)周。在AI市場(chǎng)瞬息萬(wàn)變、上市時(shí)間至關(guān)重要的背景下，提前幾周拿到加電測(cè)試數(shù)據(jù)、硅片驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)客戶(hù)意義重大。
第四，更強(qiáng)擴(kuò)展性。EMIB將硅橋嵌入基板，而基板制造通�；诖笮头叫蚊姘�。這種設(shè)計(jì)大幅提高了基板利用率，特別適合需要集成更多HBM或復(fù)雜工作負(fù)載的大型封裝。對(duì)于AI客戶(hù)來(lái)說(shuō)，這意味著更強(qiáng)的適應(yīng)性和性能潛力。
第五，為客戶(hù)提供更多選擇。英特爾代工致力于為客戶(hù)提供多樣化的選項(xiàng)。市場(chǎng)上已有既定的行業(yè)解決方案，而EMIB技術(shù)為客戶(hù)提供了一種替代方案。在某些情況下，客戶(hù)可以選擇多源供應(yīng)，也可以選擇單一來(lái)源，關(guān)鍵是EMIB為他們提供了靈活性和選擇權(quán)。EMIB技術(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)中應(yīng)用了近十年，擁有成熟的供應(yīng)鏈。這些因素共同構(gòu)成了EMIB作為AI領(lǐng)域（尤其是加速器）理想平臺(tái)的原因。
近年來(lái)，2.5D封裝產(chǎn)能一直面臨限制，特別是在某些市場(chǎng)需求不斷增長(zhǎng)的情況下，封裝產(chǎn)能不足問(wèn)題愈發(fā)顯著。然而，英特爾的EMIB技術(shù)在這一領(lǐng)域具有明顯的產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)。通過(guò)結(jié)合Foveros 2.5D和EMIB 2.5D，英特爾的綜合產(chǎn)能已經(jīng)超過(guò)行業(yè)水平的兩倍，對(duì)于那些擔(dān)心需求波動(dòng)或增長(zhǎng)無(wú)法得到滿足的客戶(hù)，英特爾的解決方案無(wú)疑具有巨大的吸引力。據(jù)英特爾透露，AWS和Cisco在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和AI加速器產(chǎn)品領(lǐng)域就采用了英特爾的先進(jìn)封裝技術(shù)。
英特爾領(lǐng)銜封裝技術(shù)數(shù)十年
作為封裝技術(shù)的先鋒，英特爾在過(guò)去五十多年里一直處于行業(yè)領(lǐng)先地位。從早期的引線鍵合架構(gòu)（Wire-Bond）到倒裝陶瓷芯片（Flip-Chip Ceramic）和多芯片（Multi-Chip）封裝技術(shù)，英特爾不斷推動(dòng)封裝技術(shù)的發(fā)展。如今，它通過(guò)與生態(tài)系統(tǒng)伙伴合作制定標(biāo)準(zhǔn)，帶領(lǐng)整個(gè)行業(yè)邁入先進(jìn)封裝的新時(shí)代，包括2.5D、3D乃至3.5D技術(shù)。以英特爾EMIB 2.5D為例，其首個(gè)產(chǎn)品已量產(chǎn)近十年，這些成果并非一蹴而就，而是長(zhǎng)期積累的結(jié)晶。
目前，英特爾代工提供了一套完整的先進(jìn)封裝產(chǎn)品組合，滿足從低成本到高性能的多樣化需求：
首先，成本低廉的FCBGA。FCBGA（Flip-Chip Ball Grid Array）分為兩種版本：FCBGA 2D和FCBGA 2D+。FCBGA 2D是傳統(tǒng)的有機(jī)封裝技術(shù)，至今仍在量產(chǎn)。它成本低廉，適合I/O需求少、不需要高速連接的產(chǎn)品，是許多細(xì)分市場(chǎng)的理想選擇。而FCBGA 2D+在FCBGA 2D基礎(chǔ)上加入了基板層疊技術(shù)（Substrate Stacking），針對(duì)主板連接尺寸大但芯片復(fù)雜度不高的場(chǎng)景，能有效降低客戶(hù)為高密度基板支付的額外成本。這種技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)和交換設(shè)備領(lǐng)域尤其受歡迎。
接著，EMIB系列主打高性能。EMIB（嵌入式多芯片互連橋接）包括EMIB 2.5D和EMIB 3.5D兩種。EMIB 2.5D通過(guò)基板中的微型硅橋連接單層芯片或HBM堆疊，實(shí)現(xiàn)高密度、低功耗的芯片間通信。雖然它也用于消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品，但在AI和高性能計(jì)算（HPC）領(lǐng)域表現(xiàn)尤為出色。EMIB 3.5D與EMIB 2.5D類(lèi)似，都采用嵌入基板中的硅橋技術(shù)。不同之處在于EMIB 3.5D引入了3D堆疊技術(shù)，將芯片疊放在有源或無(wú)源基板上。這不僅保留了EMIB的連接優(yōu)勢(shì)，還增加了垂直堆疊的靈活性。某些IP更適合垂直堆疊，而不是水平連接。此外，由于封裝的復(fù)雜度較高，客戶(hù)希望利用EMIB技術(shù)將這些堆疊連接起來(lái)，而不是使用大型的無(wú)源或有源中介層。
最后則是Foveros技術(shù)，F(xiàn)overos技術(shù)分為Foveros 2.5D和Foveros 3D。Foveros 2.5D采用焊料連接芯片與晶圓，適合將高速I(mǎi)/O與小型芯片組分離的場(chǎng)景。而Foveros Direct則使用銅-銅直接鍵合，提供最高帶寬和最低功耗的互連，性能無(wú)可匹敵。在AI和HPC應(yīng)用中，這些技術(shù)還能靈活組合——比如Foveros Direct 3D搭配HBM，再融入EMIB 3.5D，形成一個(gè)多技術(shù)融合的封裝方案。
英特爾代工的新招
半導(dǎo)體行業(yè)正迎來(lái)一個(gè)全新的發(fā)展階段，傳統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)與制造模式已不足以應(yīng)對(duì)AI和高性能計(jì)算帶來(lái)的復(fù)雜需求。在這一轉(zhuǎn)型期，系統(tǒng)級(jí)代工廠（Systems Foundry）和系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（System Technology Co-Optimization）的重要性日益凸顯。作為代工廠或服務(wù)提供商，英特爾認(rèn)為，通過(guò)這些協(xié)同優(yōu)化策略，可以更好地滿足客戶(hù)需求，打造更強(qiáng)大的產(chǎn)品。
在這一背景下，英特爾不僅專(zhuān)注于傳統(tǒng)封裝技術(shù)，還擴(kuò)展到了系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)和設(shè)計(jì)服務(wù)。比如，熱建模與優(yōu)化、功耗建模與優(yōu)化，這些都是英特爾多年來(lái)與內(nèi)部產(chǎn)品部門(mén)合作積累的技術(shù)成果，并廣泛應(yīng)用到各種產(chǎn)品中。一個(gè)典型的例子是幾年前推出的英特爾數(shù)據(jù)中心 GPU Max 系列。這款產(chǎn)品把近50塊芯片集成到一個(gè)封裝里，這些芯片基于五種不同的制造工藝，有些來(lái)自英特爾，有些來(lái)自第三方代工廠。要實(shí)現(xiàn)這樣的產(chǎn)品，光靠技術(shù)本身還不夠，還需要硅芯片與封裝的協(xié)同設(shè)計(jì)，再加上熱管理、功率傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)的優(yōu)化，才能讓這么多芯片在一個(gè)封裝里高效工作。
說(shuō)到復(fù)雜封裝，英特爾還在細(xì)節(jié)上下足了功夫。比如在大型封裝中，芯片和基板可能會(huì)因?yàn)槌叽绱蠖霈F(xiàn)翹曲問(wèn)題。英特爾通過(guò)優(yōu)化工藝流程和主板設(shè)計(jì)，解決了這些翹曲邊緣的管理問(wèn)題，確保即使在高復(fù)雜度下，產(chǎn)品性能依然穩(wěn)定可靠。
當(dāng)然，好封裝離不開(kāi)好測(cè)試。芯片測(cè)試是確保封裝質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)，尤其是要保證進(jìn)入封裝的芯片都是“已知良品”（Known Good Die，簡(jiǎn)稱(chēng)KGD）。如果一個(gè)封裝里只有一塊芯片，測(cè)試還算簡(jiǎn)單。但像現(xiàn)在這樣，一個(gè)封裝可能包含50塊不同功能的芯片，比如GPU、I/O單元和HBM堆疊，只要有一塊壞芯片，整個(gè)封裝就可能報(bào)廢。所以，提前檢測(cè)出問(wèn)題芯片，避免浪費(fèi)其他好芯片，顯得特別重要。
為此，英特爾開(kāi)發(fā)了“裸片測(cè)試”（Die Sort）技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)中用了十多年。它的做法是先把整片晶圓切成單個(gè)裸片，然后在組裝到基板之前進(jìn)行測(cè)試。因?yàn)槁闫苄�，熱量控制非常精�?zhǔn)，甚至可以在1秒內(nèi)讓溫度變化100攝氏度。這種高精度的測(cè)試能提前發(fā)現(xiàn)缺陷，比如GPU或計(jì)算單元的問(wèn)題，從而提高生產(chǎn)效率和良率。過(guò)去，這種提前檢測(cè)已經(jīng)很有價(jià)值，但現(xiàn)在，當(dāng)一個(gè)封裝的材料和芯片成本高達(dá)幾千美元時(shí)，它的重要性就更加凸顯了。尤其在如今的產(chǎn)品中，可能包含10片、20片甚至50片芯片，良品管理成了重中之重。通過(guò)在制造的早期加入測(cè)試環(huán)節(jié)，英特爾能確保每一步都用的是好芯片，避免后期更大的損失。
與此同時(shí)，英特爾的代工服務(wù)也在變得更靈活。Mark Gardner提到，客戶(hù)現(xiàn)在可以根據(jù)需要自由選擇服務(wù)：比如只用英特爾的EMIB封裝技術(shù)，芯片則交給其他代工廠生產(chǎn)；或者只用英特爾的裸片測(cè)試能力。這種“按需定制”的模式也延伸到了晶圓制造層面，讓客戶(hù)能專(zhuān)注于對(duì)自己最重要的環(huán)節(jié)，獲得最有價(jià)值的服務(wù)。
英特爾已完成超過(guò)250個(gè)2.5D設(shè)計(jì)項(xiàng)目，涵蓋消費(fèi)電子、FPGA、服務(wù)器數(shù)據(jù)中心和AI加速器等多領(lǐng)域應(yīng)用，2.5D技術(shù)已廣泛投入生產(chǎn)。英特爾還提供增值服務(wù)，幫助客戶(hù)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，包括硅與封裝協(xié)同設(shè)計(jì)、功率傳輸、熱管理等方面，憑借豐富的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)積累，協(xié)助客戶(hù)提升產(chǎn)品性能。
值得一提的是，英特爾還跟其他代工廠，比如臺(tái)積電和三星，保持長(zhǎng)期合作。他們制定了兼容的設(shè)計(jì)規(guī)則，確保這些代工廠生產(chǎn)的晶圓能無(wú)縫適配英特爾的封裝技術(shù)。這不僅給了客戶(hù)更多選擇，也讓不同供應(yīng)商的技術(shù)能自由組合，滿足多樣化的市場(chǎng)需求。
未來(lái)展望：更大封裝與玻璃基板的應(yīng)用
展望未來(lái)，英特爾正在積極推動(dòng)封裝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是在封裝尺寸和材料選擇上。Gardner透露，英特爾正在研發(fā)120毫米×120毫米的超大封裝尺寸，并計(jì)劃在未來(lái)一到兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。這一技術(shù)的推進(jìn)將進(jìn)一步拓展AI加速器的封裝能力，滿足更大規(guī)模計(jì)算需求。
此外，英特爾對(duì)玻璃基板和玻璃核心技術(shù)的投資也在不斷加大。隨著封裝尺寸的增大，傳統(tǒng)材料的局限性變得愈加明顯，玻璃基板因其出色的性能和擴(kuò)展性，逐漸成為未來(lái)封裝技術(shù)的重要組成部分。Gardner認(rèn)為，玻璃基板將在未來(lái)幾年成為主流，將推動(dòng)封裝技術(shù)的持續(xù)擴(kuò)展和創(chuàng)新。
結(jié)語(yǔ)
隨著AI技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)展，封裝技術(shù)的創(chuàng)新將成為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革的重要?jiǎng)恿�。英特爾通過(guò)EMIB、Foveros等多項(xiàng)先進(jìn)封裝技術(shù)，不斷突破技術(shù)瓶頸，提供高效、靈活的解決方案，引領(lǐng)著封裝技術(shù)的未來(lái)方向。 
