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        3D芯片堆棧技術在數據中心的應用前景

        時間:2021-07-30 預覽:861

        運算密度跟不上因特網流量增加速度,數據中心分析之數據量的成長速度前所未有;要解決這個問題,需要更大的內存帶寬,而這是3D芯片堆棧技術展現其承諾的一個領域。

         

        被甲骨文(Oracle)取消的一個微處理器開發項目,在傳統制程微縮速度減緩的同時,讓人窺見未來高階芯片設計的一隅;該Sparc CPU設計提案的目標是采用仍在開發的芯片堆棧技術,取得越來越難透過半導體制程技術取得的優勢。

         

        在上述概念背后的研究人員,是甲骨文在今年初被裁撤的硬件部門之一員;但他的點子化為一家顧問公司而存活了下來,并且已經開始與美國硅谷的半導體業者進行合作。 甲骨文前任資深首席工程師、創辦了一家三人新創公司ProPrincipia的Don Draper表示:「我看得越深,越覺得這是一條可以走的路。 」

         

        Draper指出:「運算密度跟不上因特網流量增加速度,數據中心分析之數據量的成長速度前所未有;要解決這個問題,需要更大的內存帶寬,而這是3D芯片堆棧技術展現其承諾的一個領域。 」

         

        在一場去年底舉行的研討會上,Draper展示了現有的Sparc處理器如何能重新設計成兩顆尺寸較小、相互堆棧的裸晶;其中一顆只有處理器核心與高速緩存(caches),另一個則是以N-1或N-2制程節點制造,以一半數據速率運作,乘載串行器-解串行器(serdes)等周邊,以及L4高速緩存與芯片上網絡──可降低成本與功耗。

         

        Draper表示,新架構芯片的核心數量與L3高速緩存也能增加近一倍,特別是如果堆棧技術采用新興的微流體冷卻(microfluidic-cooling)技術:「在相同的技術節點,可以將性能提升兩倍。 」

         

        一顆大型CPU能被重新設計成兩顆成本較低的芯片,并取得在功耗、性能方面的優勢 

        Draper并指出,新興的芯片堆棧技術是將一個主處理器與一個加速器綁在一起、以因應內存密集任務例如機器學習應用的理想方案;而相反的,若采用芯片對芯片互連例如CCIX與OpenCAPI:「就像在用吸管吸汽水。 」 此外Draper也建議在后緣的裸晶采用整合式穩壓器(integrated voltage regulator,IVR);他估計,采用相對較小的磁性電感(magnetic inductors),該IVR能節省功率以及電路板站為面積,并將芯片的數據傳輸速率提升到150MHz。

         

        盡管如此,Draper坦承,這個他在甲骨文提出的設計提案,也就是在最頂級的M系列處理器采用芯片堆棧技術,是非常高風險且巨大的承諾;舉例來說:「如果在(芯片堆棧)實作過程中出了任何問題,最頂端的裸晶可能就會無法使用。 」

         

        該芯片堆棧采用內存堆棧使用的硅穿孔(TSV)技術,該結構是規律的,但對于高密度、不規則的邏輯芯片來說會很棘手;TSV在厚度上也相對較高,在周遭也需要有保留區域。 Draper聲稱,芯片堆棧的散熱問題大部分可以被解決;具備高導熱性的銅接口能輕易地將熱從溫度較高的頂部裸晶,透過散熱片或是風扇從對溫度較低的底部裸晶排出。

         

        Xperi (編按:原為Tessera)旗下的Invensas,在室溫晶圓/裸晶堆棧技術方面是領導者;其技術也是新創公司ProPrincipia創辦人Don Draper認為微處理器設計工程師將會用到的。 Invensas的DRAM堆??赏?019年量產,接著是處理器、ASIC、GPU與FPGA等各種組件。

         

        Invensas總裁Craig Mitchell表示:「我們現在的目標是與客戶溝通,取得他們的晶圓片,因為每個人的制程與硅穿孔(TSV)技術都有點不太一樣。 」

         

        另一個障礙是避免晶圓切割時產生的微小顆粒污染;他指出:「我們正在取得良好的進展,能展現4層的DRAM堆棧;另外我們正以3D DRAM為出發點,因為這是一個大規模的市場,而且如果你能在DRAM領域證實技術,將技術轉移到任何地方就會容易許多。 」

         

        Invensas是為Sony等廠商采以6~14微米間距的晶圓對晶圓技術接合氧化物,來堆棧CMOS影像傳感器而立足市場;在明年某個時候,Invensas預期能邁向下一步,提供能封裝一組MEMS傳感器的制程技術。

         

        接下來Invensas則將提供新開發的裸晶等級直接結合互連(die-level Direct Bond Interconnect,DBI),以鏈接傳感器與邏輯芯片;該技術已經授權給具備一座大型MEMS晶圓代工廠的Teledyne Dalsa。 最終Invensas的目標是讓DBI互連能小于1微米,好將大型芯片轉換成相互堆棧的小芯片數組。

          

        也有其他廠商準備進軍此一領域,以較低成本的2.5D芯片堆棧技術,將裸晶并排在相對尺寸較大、較昂貴的硅中介層(interposer)上。

         

        例如臺積電(TSMC)在不久前宣布,正在開發一個新版本的晶圓級扇出式封裝技術,名為整合式扇出封裝(InFO),目前應用于手機應用處理器。 此外臺積電也將擴展其2.5D CoWos制程,可在約1,500 mm2面積的基板上放最多8顆的HBM2 DRAM。

         

        Mitchell表示,擴展的InFO技術之40微米I/O焊墊與65mm2基板,不會與Invensas采用DBI技術的更大、更高密度芯片堆棧直接競爭。 但市場研究機構Yole Developpement封裝技術分析師Emilie Jolivet表示,最近聯發科(Mediatek)宣布,將在一款數據中心應用之芯片使用InFO,顯示該技術正在伸展觸角。

         

        不過Mitchell表示,DBI與InFO式兩種完全不同的技術,后者是一種封裝技術、將精細節點的芯片鏈接到較大節點的印刷電路板鏈路,而DBI則是采用精細鏈接的芯片對芯片互連。

         

        舉例來說,蘋果(Apple)的A10應用處理器采用InFO技術,將220微米間距的裸晶接口,轉接至印刷電路板的350微米接口;相反的,DBI正被測試應用DRAM之間40微米的觸點,可望在未來能堆棧到8層高。

         

        至于英特爾(Intel),則是開發了EMIB (Embedded Multi-Die Interconnect Bridge)技術,一開始使用于大型FPGA鏈接外部的串行/解串器;Jolivet認為EMIB技術將改變市場局勢,并擴大封裝技術領域的戰場。

         

        而Mitcell則指出,EMIB也不會與DBI直接競爭,并質疑該技術能擴展到多大程度;他表示,DBI目前最大的競爭對手是熱壓接合(thermal compression)技術,但被限制在25微米以上的互連:「25微米看來是一道難以突破的障礙。 」

         

        Yole Developpement表示,Apple在A10處理器采用的臺積電InFO技術,可說是扇出式封裝技術發展在去年的一個轉折點;最近該機構有一篇報告指出,扇出封裝的設備與材料可望取得40%的復合成長率。


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