英特尔3D封装技术亮剑,台积电半导体龙头宝座不保?

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连于慧
2019-07-13 · 09:23
[ 亿欧导读 ] 全球半导体龙头霸主的地位,当中一大关键系于“ 3D封装技术”,2020年将陆续进入3D封装量产的时间点。2020年是3D封装元年,届时又是摩尔定律的一大里程碑,预计英特尔、台积电祭出的“真3D ”将带来新一轮的厮杀。
英特尔,3D封装技术,半导体,英特尔,台积电 图片来自“123rf.com.cn”

英特尔在高端技术上的策略错误,意外让后起之秀台积电坐上主导全球芯片制造的龙头宝座,这种因为巨人对手的错误而得利,甚至攀上全球颠峰的案例算少见。不过,从2019年起英特尔“硬起来”了,不但“孵化”4年的10nm技术量产,披露一连串最新封装技术,对上台积电的SoIC技术,两大巨头的“真3D ”封装正式过招,究竟鹿死谁手,仍有一番较量。

台积电有两大竞争对手,一是过去一直仰望的英特尔,二是过往处于平行线的三星,但这几年却积极从“存储赛道”转到“逻辑赛道”,导致彼此频频过招。

即使是英特尔在高端工艺技术上屡次失误,台积电仍是十分尊敬英特尔,认为其技术研发底气强大,台积电创办人张忠谋更表示“永远不要小看英特尔”。对于三星,张忠谋曾表示佩服其为完成目标而展现的凝聚力,但因近年来两家公司在高端工艺竞争上常常擦枪走火,彼此时常“斜睨”对方。

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图 | 英特尔在SEMICON West中进一步披露将2D封装技术EMIB和3D封装技术Foveros做结合。(来源:英特尔)

英特尔绝地大反攻

台积电与三星频频较量,且屡次胜出的关键,除了在高端工艺技术上不手软地砸钱,保持巨大的研发能量外,在10年前就看到要延续摩尔定律的寿命,唯有解开后端“封装”技术的瓶颈,因此部署重兵在封装领域。

英特尔虽然在10 nm工艺技术上延迟4年,导致全球芯片制造的龙头宝座拱手让给台积电,但从2019年开始,英特尔展开绝地大反攻。

英特尔日前更在旧金山登场的SEMICON West中,强调能同时提供2D和3D封装技术,分享3项重大封装的全新技术架构:

第一是Co-EMIB技术:英特尔先前已经有嵌入式多芯片互连桥接EMIB( Embedded Multi-die Interconnect Bridge),这是一款2D的封装技术,在之前的“架构日”( Architecture Day )也宣布3D封装技术Foveros的诞生。

这次英特尔进一步提出Co-EMIB技术,基于2D封装技术EMIB和3D封装技术Foveros,利用高密度的互连技术,实现高带宽、低功耗,并实现有竞争力的I/O密度,全新的Co-EMIB技术可连结更高的计算性能,能够让两个或多个Foveros元件互连,基本达到单晶片性能。

第二是英特尔的互连技术ODI(Omni-Directional Interconnect),提供封装中小芯片之间,无论是芯片或模块之间的水平通信或是垂直通信,互联通信都有更多灵活性。

ODI封装技术利用大的垂直通孔直接从封装基板向顶部裸片供电,比传统的硅通孔大得多且电阻更低,可提供更稳定的电力传输,同时通过堆叠实现更高带宽和更低时延。再者,利用这种方法可以减少基底芯片中所需的硅通孔数量,可减少面积且缩小裸芯片的尺寸。

第三是MDIO :是基于先进介面汇流排AIB( Advanced Interface Bus )发布的MDIO全新裸片间接口技术。MDIO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技术两倍以上的速度和带宽密度。

毫无疑问,英特尔与台积电都将“大炮”对准 3D 封装技术,这个“后摩尔定律”时代最至关重要的战场。

3D封装技术的三大挑战

英特尔之前提出的Foveros全新的3D封装技术,就已经让市场十分惊艳。

因为3D堆叠技术已在存储领域实现了,但要堆叠不同逻辑产品,则是一个巨大的技术门槛。英特尔就是想把芯片堆叠从传统的被动硅中介层( passive interposer )与堆叠存储器,扩展至堆叠高效能逻辑产品如CPU 、 GPU 、 AI芯片等,实现业界常常在谈论的“异质堆叠整合”技术,且不单是芯片堆叠,还做到不同Wafer之的直接贴合。

英特尔为了以封装技术全面大反攻,也大力借助“小芯片”( chiplet )概念,让存储和运算芯片能以不同组合堆叠。

Foveros这项3D封装技术可以将产品分解成更小的“小芯片”,其中的电源传输电路、 SRAM 、 I/O元件可以建入底层的基础芯片( base die )当中,而高效能逻辑芯片则堆叠在上面,同时Foveros也具备在新的装置设计中混搭各种硅知识产权( IP )模组、各种存储、 I/O元件的弹性。

英特尔第一个使用高端Foveros封装技术产品,将是结合10nm芯片的“ Lakefield ”处理器,根据英特尔之前宣布,会在2019年问世,这不但是英特尔继 2018年宣布推出2D封装技术的EMIB之后另一大突破,更等同是对台积电日前披露的3D封装技术SoIC下战帖。

英特尔的Lakefield处理器预计是在单一芯片上采用10nm技术的Sunny Cove架构为主核心,另外再配置4个10nm的Tremont架构做为小核心,且内建LP DDR4存储控制器等,之所以可以把这么多的运算和处理元件都包在一颗单芯片中,秘诀就在 Foveros封装技术。

再者,未来英特尔也会将Foveros封装技术从10nm推进至7nm,通过3D封装来延续摩尔定律。不过, Foveros技术因为是堆层堆叠,非常考验散热,加上生产良率是一大问题,以及上下层的供电稳定性,因此可以说,目前Foveros封装技术三大项挑战分别为散热、良率、供电等。

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图 |台积电日前在上海技术论坛中展现四大封装技术:CoWoS、InFO、WoW、SoIC,其中SoIC预计明年可开始生产。(来源:DeepTech)

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图 |台积电日前在上海技术论坛中让两大3D封装技术WoW、SoIC亮相,同时做出比较,会是未来工艺技术持续推进的重要动力。(来源:DeepTech)

“3D封装元年”将至

台积电日前在批露最高端封装技术SoIC(system-on-integrated-chips)技术时,市场也直言“真正的3D IC终于来了”,SoIC预计从2020年起贡献营收,并将在2021年创造显著收入贡献。

台积电在封装技术上陆续推出2.5D的高端封装技术CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate),以及经济型的扇出型晶圆InFO( Integrated Fan-out )都非常成功,可以说一路从三星手上分食苹果订单,到独享苹果订单,靠的就是封装技术领先对手,将其产业地位推上另一个高峰。

早在10年前台积电就看出随着半导体前段工艺的快速微缩,后段封装技术会跟不上前段工艺的脚步,台积电技术往前冲刺的脚步会因此被拖累,等到那时,摩尔定律真的会失效,因此毅然决定投入封装技术,在2008年底成立导线与封装技术整合部门(Integrated Interconnect and Package Development Division, IIPD )。

可以观察到,全球半导体龙头霸主的地位,当中一大关键系于“ 3D封装技术”,2020年将陆续进入3D封装量产的时间点。

英特尔第一个采用Foveros封装技术的“ Lakefield ”处理器预计2019年下半问世,但因为COMPUTEX中没有宣布相关细节,不知时程是否有变化,而台积电的SoIC封装预计2020年小量贡献营收,因此,可说2020年是“ 3D封装元年”,届时又是摩尔定律的一大里程碑,预计英特尔、台积电祭出的“真3D ”封装技术将带来新一轮的厮杀。

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