5分钟IN科普 | 先进封装，助力多芯片系统“万马奔腾”

最近，我们通过“5分钟IN科普”系列，介绍了英特尔多芯片系统背后包含的数项底层技术。在晶体管层面，RibbonFET全环绕栅极晶体管和PowerVia背面供电技术带来了性能更强、体积更小的晶体管；硅光技术的创新，则为在芯片间长距离、低功耗传输海量数据铺平了道路。

那么，多芯片系统本身又是如何“诞生”的？怎么才能让堆叠起来的芯片“心往一处想，劲往一处使”，组成一个妥善运转的系统，完成既定的工作负载？

随着晶体管微缩的难度不断加大，人们正在探索提高芯片系统集成度和互连密度的新路径。一项技术脱颖而出，成为半导体行业的新宠，它就是先进封装（advanced packaging）。虽然也叫“封装”，但它和传统意义上用于保护芯片的封装工艺有着巨大的差别。传统封装的核心是“保护与连接”，而先进封装的目标是“构建与集成”，它本身已成为设计高性能芯片系统的关键一环，决定了系统的性能、功耗与形态。

传统封装：保护与连接

传统意义上，封装是半导体制造后端流程中的重要一环。通过将单个或多个芯片固定到一个封装中，能够为它们提供多重的保护，避免其受到高温、高压，以及灰尘、湿气等等外部环境因素的破坏。同时，封装也起到连接电路的作用，将芯片与电子产品中的其它组件连接起来。

传统的封装工艺包含三大阶段，有点像盖房子的收尾阶段，比如加固墙体和地基：

· 芯片贴装（chip attach）：将芯片及电容等必要元件固定在封装基板上。

· 环氧树脂封装：在芯片与基板之间注入环氧树脂，以消除微小气隙，确保物理压力在裸片上均匀分布。

· 封盖贴合（lid attach）：在芯片表面涂上热界面材料，然后安装散热器，能够将芯片工作时产生的热量传导出去。

从“保护”到“构建”：先进封装如何革新系统集成 

然而，面对AI、高性能计算等领域对算力、能效和集成度爆炸式增长的需求，仅仅实现“保护与连接”的传统封装已力不从心。这就催生了更高层次的封装理念——先进封装。其核心思想，是从“封装一个现成的芯片”转变为“用封装技术来构建一个完整的芯片系统”。

一座城市里包含住宅区、商业区、文教区、工业区等不同的区域，如何通过道路和桥梁将它们高效连接起来，满足居民日常工作和生活的需求，是城市规划的重要课题。

在一个多芯片系统中，

多个芯粒通过英特尔的EMIB 2.5D封装技术被连接起来

先进封装在多芯片系统中的作用正类似于此。与将所有功能都集成在一块大芯片上的“系统级芯片”不同，先进封装支持“芯粒”设计范式：将复杂系统分解为多个专门的芯粒，每个芯粒可以根据具体功能灵活选择最适合的制程工艺，独立优化。最后，像搭积木一样，通过先进封装技术将这些芯粒高密度、高性能地集成在一起。这种“异构集成”不仅提高了设计灵活性和良率，更通过缩短芯片间互连距离，显著提升了整体系统的性能和能效。

英特尔先进封装“团队”

在先进封装领域，英特尔有着丰富的技术积累，能够为客户提供定制化的系统级解决方案。

·EMIB 2.5D：EMIB全称“嵌入式多芯片互连桥接”，这项技术有点像芯片间的“地下通道”，通过在芯片下方的基板内嵌入一块小芯片，在两块水平并排的芯片间实现互连。这块小芯片又称“硅桥”（silicon bridge）。EMIB技术的演进版本包括EMIB-M，在硅桥中了采用MIM电容，以及EMIB-T，在硅桥上加装了硅通孔（TSV），能够满足多样化的需求。

·Foveros-S 2.5D：Foveros-S是英特尔实现硅中介层技术的一种方式，将平面上的多个芯片通过一块不负责计算的硅基底板连接在一起。Foveros-S的优势在于面积大，可支持多个光罩尺寸，就像一个“标准的大型连接底板”。

·Foveros-R 2.5D：Foveros-R采用了重布线层中介层。与只有固定孔位的一般硅中介层不同，重布线层中介层在硅中介层之上添加了一层可自定义的金属布线层，支持灵活调整每块芯片I/O点的位置，从而能够更灵活地实现不同尺寸、不同工艺芯粒的互连，更好地满足异构计算的需求。这项技术预计将在未来几年内投入量产。

·Foveros Direct 3D：Foveros Direct技术可以通过混合键合实现芯片垂直层面的3D堆叠，就像盖楼房一样，直接在垂直方向上将不同功能的芯粒（如计算芯粒与缓存）键合在一起，实现极高的互连带宽和密度。

·EMIB + Foveros 混合封装：英特尔可将EMIB（2.5D水平互连）与Foveros Direct（3D垂直堆叠）等技术在同一封装中协同使用，实现更复杂的异构集成，适合需要在单个封装中集成多个3D堆叠模块的尖端系统。

在“硬科技”之外，“软标准”同样重要，芯粒间需要高带宽、低延迟的通信协议。英特尔还参与发起了UCIe（通用芯粒互连）标准，提出了物理层、协议层等标准，旨在确保不同供应商的芯粒可以像“通用零件”一样无缝协作。

在这“万马奔腾”、追求极致算力的时代，先进封装技术正成为释放AI、机器人、自动驾驶等新兴技术无限潜能的关键引擎。它将不同的计算单元紧密连接，协同工作，共同奔向更加智能的未来。

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