傳統(tǒng)芯片進(jìn)入瓶頸，堆疊式芯片唱主角？

桫欏

在計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史上，計(jì)算機(jī)性能的提升主要依托于其搭載的處理器的進(jìn)步，主流方式是提升芯片（Microchip）的先進(jìn)制程來(lái)提升其性能，使芯片制程從14nm到5nm不斷縮小，同樣大小的芯片中裝入更多晶體管來(lái)提升其運(yùn)算能力。

但芯片的制程不可能無(wú)限縮小，未來(lái)有更多的堆疊芯片產(chǎn)品將會(huì)出現(xiàn)。工程師實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是將微芯片堆疊在一起，用簡(jiǎn)單的比喻就是，計(jì)算機(jī)內(nèi)部通常扁平的硅片正在變成多層，用于內(nèi)存、電源管理和圖形等功能的電路將堆疊在一起，作為提升性能和節(jié)約成本的一種方式。

推動(dòng)堆疊芯片設(shè)計(jì)這一趨勢(shì)的原因很簡(jiǎn)單且現(xiàn)實(shí)：現(xiàn)在的設(shè)計(jì)能力面臨巨大的壓力，芯片行業(yè)通過(guò)縮小晶體管以維持更高性能來(lái)跟上步伐的能力遇到了技術(shù)障礙，要繼續(xù)讓芯片更快、更小，付出的努力可不像前20年這么簡(jiǎn)單。

芯片的發(fā)展長(zhǎng)期以來(lái)只是延續(xù)摩爾定律的趨勢(shì)——英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾觀察到，集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過(guò)18個(gè)月便會(huì)增加一倍。摩爾定律只是是內(nèi)行人摩爾的經(jīng)驗(yàn)之談，漢譯名為“定律”，但并非自然科學(xué)定律，它一定程度揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度，這條經(jīng)驗(yàn)法之前已經(jīng)宣布結(jié)束，因?yàn)樾酒_實(shí)越來(lái)越先進(jìn)，但開(kāi)發(fā)周期卻越來(lái)越長(zhǎng)。

荷蘭公司ASML就認(rèn)為，即使要保持摩爾定律的發(fā)展，僅僅使芯片上的功能更小是不夠的。 作為ASML來(lái)說(shuō)，基本上壟斷了世界上最先進(jìn)的芯片和最小晶體管至關(guān)重要的光刻機(jī)，它的發(fā)言具有一定的前瞻性。在2021年9月向投資者的介紹中，ASML就談到了“芯片堆疊系統(tǒng)擴(kuò)展”的想法，該公司認(rèn)為“系統(tǒng)擴(kuò)展”是對(duì)ASML 為縮小微芯片特性所做工作的補(bǔ)充。

率先“吃螃蟹”的當(dāng)數(shù)蘋(píng)果公司2022蘋(píng)果春季新品發(fā)布會(huì)上發(fā)布的M1 Ultra處理器，這款處理器采用了蘋(píng)果UltraFusion封裝架構(gòu)，通過(guò)兩顆M1 Max晶粒的內(nèi)部互連，性能與實(shí)力都達(dá)到空前水平。這種SoC芯片結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，讓超級(jí)計(jì)算機(jī)的算力提升，并且普及到了家用電腦中。

不過(guò)“堆疊芯片”也并非沒(méi)有技術(shù)難度，當(dāng)涉及管理在密集電路中執(zhí)行的計(jì)算時(shí)，熱量散發(fā)會(huì)給工程師帶來(lái)挑戰(zhàn)。盡管它們可以更節(jié)能，但它們的龐大尺寸意味著也會(huì)消耗大量電力。例如英特爾的Ponte Vecchio芯片采用了OAM模塊，這是一種開(kāi)放式硬件計(jì)算加速器形態(tài)和互連結(jié)構(gòu)，共有五層，從下到上分別是底板、PCB 電路板、頂板、水冷裝置和固定蓋板。而新的 OAM 計(jì)算模塊則需要 600W 的供電，幾乎相當(dāng)于一個(gè)吹風(fēng)機(jī)的功耗，英特爾選擇為這種架構(gòu)液冷散熱，但是與傳統(tǒng)的大型散熱系統(tǒng)相比，新開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)占地面積很小。

制造堆疊芯片并非易事，部分原因是這樣做意味著以納米級(jí)精度將每個(gè)芯片組件焊接到位，并且在沒(méi)有微型焊槍的情況下將它們連接起來(lái)困難重重。

Apple 的 M1 Ultra 芯片在其 Mac Studio 計(jì)算機(jī)中使用，由 1140 億個(gè)晶體管組成

在傳統(tǒng)設(shè)備中，接收和傳輸無(wú)線電波（例如，通過(guò) Wi-Fi 進(jìn)行通信）的芯片可能會(huì)連接到另一個(gè)進(jìn)行通用計(jì)算的芯片，它們之間的連接實(shí)際上就是所謂的“總線”。新的堆疊芯片封裝反而將這兩個(gè)芯片，可能還有更多直接連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

存儲(chǔ)芯片大廠美光（Micron）7月底就宣布，其232層NAND閃存芯片已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這是全球首款突破200層大關(guān)的固態(tài)存儲(chǔ)芯片，拋開(kāi)工程樣品不計(jì)，它的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手目前只能提供176層的技術(shù)。

與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的芯片相比，美光技術(shù)將每單位面積存儲(chǔ)的比特密度增加了一倍，每平方毫米封裝14.6? Gbit。這一密度相比自家的176L? NAND提升了約43%，比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的TLC產(chǎn)品高35%到100%。可以說(shuō)，NAND? Flash層數(shù)競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，繼176層NAND之后，各大廠都瞄準(zhǔn)200層以上NAND技術(shù)，美光之后，三星、鎧俠等也在蓄勢(shì)待發(fā)。

International Business前封裝開(kāi)發(fā)總監(jiān)Subramanian Iyer表示，傳統(tǒng)的微芯片必須將其近三分之一的面積（以及同樣多的功耗）用于將芯片計(jì)算結(jié)果傳達(dá)給設(shè)備其余部分的電路。而堆疊芯片使它們之間的通信更快，因?yàn)樗试S它們之間的更多連接，就像在摩天大樓的樓層之間乘電梯旅行比一直穿過(guò)建筑物到達(dá)最近的一棟建筑更快一樣。

美光的232 層閃存芯片是微芯片擴(kuò)展的典型案例

雖然目前堆疊式芯片的數(shù)量可能很少，而且大多出現(xiàn)在標(biāo)桿或者強(qiáng)大的主機(jī)中，但制造它們的趨勢(shì)正在加速。

今年3月名為 Universal Chiplet Interconnect Express （UCIe） 的行業(yè)聯(lián)盟宣布，英特爾與AMD已經(jīng)加入其組織，一同與ARM、臺(tái)積電、三星等推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)。越來(lái)越多科技大廠對(duì)芯片堆疊技術(shù)有濃厚興趣，陸續(xù)加入自研芯片以發(fā)展業(yè)務(wù)，有谷歌、亞馬遜、微軟、特斯拉等，未來(lái)可期待從云端服務(wù)器到智能手機(jī)、游戲主機(jī)與智能汽車等都能看到這類堆棧架構(gòu)為主的處理器。Ansys Samsung產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)Marc Swinnen表示，近年來(lái)Ansys 客戶涉及堆疊芯片的項(xiàng)目數(shù)量增加了20倍。

英特爾高級(jí)研究員Das Sharma 認(rèn)為，堆疊型的芯片讓英特爾可以提高其下一代臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器芯片的性能，并且不會(huì)增加現(xiàn)有芯片架構(gòu)的占用空間或總功耗。這可能看起來(lái)有悖常理，但從芯片使用的功率來(lái)講，這確是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的，為芯片節(jié)省功率是行業(yè)的最高優(yōu)先事項(xiàng)之一，否則一切創(chuàng)新都是空談。

當(dāng)然，芯片堆疊也不是沒(méi)有弱點(diǎn)，實(shí)際上這是一種體積換性能的做法，想要通過(guò)14nm實(shí)現(xiàn)5nm的性能可能需要6塊14nm芯片進(jìn)行堆疊才能實(shí)現(xiàn)，從成本上來(lái)說(shuō)這種做法同樣有些得不償失。同時(shí)芯片堆疊還會(huì)造成功耗以及散熱等方面的問(wèn)題，因?yàn)樾酒询B不僅僅是簡(jiǎn)單地將兩塊芯片堆疊在一起，而是需要更多的技術(shù)和工序的支持。

并且芯片堆疊技術(shù)對(duì)于我國(guó)企業(yè)而言，是一道突破芯片封鎖的曙光。從當(dāng)下華為公布的堆疊芯片新專利上看，主芯片堆疊單元具有位于第一表面上的絕緣且間隔設(shè)置的多個(gè)主管腳，多個(gè)副芯片堆疊單元具有絕緣且間隔設(shè)置的多個(gè)微凸點(diǎn)，和蘋(píng)果推出的M1 Ultra芯片將兩顆M1 Max拼接起來(lái)不同，華為可將兩個(gè)以上的芯片堆疊起來(lái)。在國(guó)內(nèi)已經(jīng)能夠量產(chǎn)14nm、N+1等制程芯片的情況下，通過(guò)自主研發(fā)的專利降低功耗以及成本，不失為一種“曲線救國(guó)”的好方案。未來(lái)華為可能會(huì)采用多核架構(gòu)的芯片，用堆疊、面積換性能，用不著先進(jìn)工藝就能讓產(chǎn)品具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，務(wù)實(shí)的心聲還是值得支持的。

加州大學(xué)洛杉磯分校的伊耶博士說(shuō)，推動(dòng)人們對(duì)堆疊芯片產(chǎn)生興趣的是人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有硬件的貪婪需求。盡管面臨挑戰(zhàn)，但將當(dāng)今的微芯片分解，重新組裝成更大、更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)，在動(dòng)蕩的半導(dǎo)體發(fā)展中或許代表芯片發(fā)展的另一種趨勢(shì)。

華為芯片堆疊封裝專利