英特爾談晶圓代工，Chiplet和3D封裝

在本周舉辦的Hot Chips 大會(huì)上，英特爾CEO Pat Gelsinger自 2012 年以來(lái)首次在該定會(huì)上發(fā)表講話。過(guò)去多年里，Gelsinger 長(zhǎng)期擔(dān)任英特爾首席技術(shù)官和其數(shù)據(jù)中心集團(tuán)的前任總經(jīng)理，他從英特爾的創(chuàng)始人那里學(xué)到了這一點(diǎn)，并在最近幾年重新?lián)纹涫紫瘓?zhí)行官，以扭轉(zhuǎn)這家芯片制造商的局面。

十年前，在英特爾任職30 年的Gelsinger 離開(kāi)了，然后擔(dān)任 VMware 首席執(zhí)行官，但他卻繼續(xù)鼓吹， X86 芯片統(tǒng)治數(shù)據(jù)中心。然而，他也認(rèn)識(shí)到 IT 環(huán)境正在迅速變化，云和移動(dòng)是行動(dòng)的方向，大數(shù)據(jù)正在影響硬件設(shè)計(jì)，硬件和軟件的協(xié)同設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要。

Gelsinger在Hot Chips的第二天回到了虛擬舞臺(tái)，很多事情都與十年前的預(yù)期不同。英特爾仍然在數(shù)據(jù)中心和個(gè)人電腦市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位——盡管不如前幾年——但它已經(jīng)出售了很多軟件和內(nèi)存業(yè)務(wù)，盡管它已經(jīng)涉足 FPGA 和 GPU 等加速器，并正在深入推進(jìn)云，到邊緣。

英特爾還參與了競(jìng)爭(zhēng)更加激烈的半導(dǎo)體市場(chǎng)，AMD和Arm 不斷壯大，英偉達(dá)將自己確立為越來(lái)越重要的數(shù)據(jù)中心玩家，以及像數(shù)據(jù)處理單元 (DPU) 這樣的專用芯片環(huán)境。包括英特爾在內(nèi)的 IT 供應(yīng)商也正遭受由流行病引發(fā)的供應(yīng)鏈問(wèn)題和不確定的全球經(jīng)濟(jì)。

最重要的是，英特爾一直在努力遵守其 CPU 路線圖，并目睹競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在 7 納米和 5 納米工藝制造等領(lǐng)域超越它。

Gelsinger 沒(méi)有放棄制造，而是全力以赴，當(dāng)中包括投資 200 億美元新建晶圓廠，并將其代工業(yè)務(wù)擴(kuò)展到一個(gè)名為英特爾代工服務(wù)（ntel Foundry Services ）的新業(yè)務(wù)部門，該部門與公司的其他部門相同，并附有自己的損益表。

Gelsinger 在他的 Hot Chips 主題演講中關(guān)注的正是這項(xiàng)新的代工服務(wù)業(yè)務(wù)，他將其視為 IT 領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵參與者，其中軟件是核心，硬件是確保性能和功能的關(guān)鍵。應(yīng)用程序。他說(shuō)，四大技術(shù)核心是計(jì)算、連接、基礎(chǔ)設(shè)施和人工智能，所有這些都相互促進(jìn)。

“我擁有的計(jì)算能力越多，我能做的事情就越多，”Gelsinger 說(shuō)?！拔覔碛械幕A(chǔ)設(shè)施越多，我可以存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就越多，我擁有的數(shù)據(jù)越多，我可以進(jìn)行的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練就越多?；ハ嗉訌?qiáng)對(duì)方。那就是加快步伐。我們看到我們所擁有的的核心技術(shù)越來(lái)越多地讓我們?cè)谖覀兯龉ぷ鞯母鱾€(gè)方面從物理世界連接到數(shù)字世界。在技術(shù)驅(qū)動(dòng)的所有數(shù)字化事物之下，依靠的是半導(dǎo)體。我們所處的時(shí)代，越來(lái)越多的半導(dǎo)體被代工商業(yè)模式所支持?！?/p>

然而，晶圓代工的想法正在讓位于系統(tǒng)代工，機(jī)架成為系統(tǒng)，系統(tǒng)成為多個(gè)裸片和小芯片的封裝。2.5 和 3D 小芯片封裝需要更多類型的技術(shù)，小芯片和其他 IP 在封裝上結(jié)合在一起，以幫助在系統(tǒng)代工廠中創(chuàng)建下一代設(shè)計(jì)，這就是 Gelsinger 所說(shuō)的英特爾的目標(biāo)——圍繞這些技術(shù)推動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)新技術(shù)使設(shè)計(jì)師能夠進(jìn)行大規(guī)模創(chuàng)新。

毫不奇怪，英特爾的 CEO 認(rèn)為摩爾定律（許多行業(yè)觀察家認(rèn)為該定律正在放緩）是這一切的基礎(chǔ)。Gelsinger 表示，目前芯片封裝上有 1000 億個(gè)晶體管，到本世紀(jì)末將增長(zhǎng)到 1 萬(wàn)億個(gè)。他指出，英特爾去年推出的RibbonFET 晶體管結(jié)構(gòu)和 Power VIA電源傳輸系統(tǒng)等技術(shù)，以及使用High NA EUV 光刻和 2.5 和 3D 封裝等技術(shù)為實(shí)現(xiàn) 1 萬(wàn)億晶體管開(kāi)辟了道路。

其他封裝技術(shù)，如嵌入式多芯片互連橋 (EBIM) 有助于將更多組件連接在一起，以及用于邏輯堆疊的 Foveros 將使英特爾能夠?qū)⒏喙δ軒朐O(shè)計(jì)密集的封裝中。像“Meteor Lake”這樣的新芯片——將于明年推出——之后“Arrow Lake”將利用這些芯技術(shù)。即將推出的“Ponte Vecchio”GPU也有 47 個(gè)有源硅片和單個(gè)封裝中的超過(guò) 1000 億個(gè)晶體管。

未來(lái)重要的是在行業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)化這些不同部分的組合方式，不僅在英特爾內(nèi)部，而且在其他行業(yè)參與者之間。關(guān)鍵的第一步是今年早些時(shí)候創(chuàng)建了通用 Chiplet Interconnect Express 聯(lián)盟，為小芯片做 PCI-Express 互連標(biāo)準(zhǔn)將外圍設(shè)備連接到計(jì)算系統(tǒng)中所做的工作。芯片制造商正在創(chuàng)造可以將不同部分組合在一起的處理器，以降低制造成本，更適應(yīng)軟件需求，并能夠滿足計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不斷增長(zhǎng)的性能和吞吐量需求。

在 UCI-Express 小組中加入英特爾的有 AMD、Arm、高通、微軟、Meta 和三星，以及臺(tái)積電和最近的 Marvell。

“現(xiàn)在我們正在芯片級(jí)做 [使用 PCI-Express 所做的事情]，并采用芯片上的單片系統(tǒng)，該系統(tǒng)可能在芯片尺寸、成本和功率方面受到限制，并且能夠?qū)⑵浞纸鉃橐粋€(gè)解決方案，該解決方案需要不僅可以利用先進(jìn)的封裝，還可以利用 UCIe 將實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)混搭功能，”Gelsinger 說(shuō)?！安煌墓に嚰夹g(shù)將針對(duì)不同的功能進(jìn)行優(yōu)化——功率、射頻、模擬、高級(jí)邏輯、內(nèi)存。但我們還需要以一種非常易于使用的可組合方式將它們聯(lián)系在一起，為設(shè)計(jì)人員提供抽象概念，使他們能夠做更復(fù)雜的事情，而無(wú)需在最低芯片級(jí)別了解每個(gè)執(zhí)行和硬化 IP 的細(xì)節(jié)?！?/p>

實(shí)現(xiàn)這一切的是能夠?qū)⒉煌S中的不同技術(shù)整合在一起。Gelsinger 將Intel Foundry Services 視為一家開(kāi)放的代工廠，并表示英特爾可以提供其代工產(chǎn)品來(lái)幫助推動(dòng)行業(yè)中小芯片的發(fā)展，他稱之為英特爾 Chiplet Studio 技術(shù)套件，不僅可以支持 x86，還可以支持其他架構(gòu)，例如 Arm 和RISC-V。

他設(shè)想芯片公司利用來(lái)自不同代工廠的技術(shù)來(lái)構(gòu)建處理器以滿足他們的特定需求。與 PCI-Express 一樣，UCI-Express 將提供類似級(jí)別的技術(shù)交換。

“有了這個(gè)，你可能會(huì)說(shuō)， 我從英特爾獲得了兩個(gè)小芯片，我從臺(tái)積電工廠獲得了一個(gè)小芯片，”Gelsinger 說(shuō)。“也許電源組件來(lái)自 TI，也許 I/O 組件來(lái)自 GlobalFoundries?！?而且，當(dāng)然，英特爾擁有最好的封裝技術(shù)，因此他們會(huì)將所有這些小芯片組裝到市場(chǎng)上，但也許它也是另一家供應(yīng)商。我們確實(shí)看到了混搭。當(dāng)我說(shuō)機(jī)架正在成為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，該系統(tǒng)正在成為一個(gè)基于封裝的高級(jí)小芯片，這正是我們的意思，我們?nèi)绾慰创陌l(fā)展?！?/p>

這并不容易。英特爾必須在其產(chǎn)品業(yè)務(wù)（也將利用代工服務(wù)中提供的先進(jìn)封裝技術(shù)）與使用英特爾代工的外部公司之間建立清晰的分離。此外，該聯(lián)盟還包括競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，因此這與其他行業(yè)集團(tuán)一樣 。

同時(shí)，英特爾也有自己的挑戰(zhàn)。它計(jì)劃在俄亥俄州建立新的晶圓廠，而 Gelsinger 是拜登總統(tǒng)今年早些時(shí)候簽署的 530 億美元芯片法案背后的關(guān)鍵行業(yè)推動(dòng)者，該法案旨在幫助資助美國(guó)更多的芯片制造。但正如我們上個(gè)月解釋的那樣，英特爾存在一些運(yùn)營(yíng)和財(cái)務(wù)問(wèn)題，雖然并非不可能解決，但它們的成本很高。再說(shuō)一次，像 AMD 和 Arm 這樣多年來(lái)一直為英特爾掏腰包的公司終于開(kāi)始吸引頂級(jí)公共云提供商（芯片和系統(tǒng)制造商的主要客戶）愿意按照自己的方式設(shè)計(jì)自己的處理器。

上述相冊(cè)中的第一張圖片是英特爾分享的 Meteor Lake 處理器的新圖表。我們還添加了來(lái)自Intel 4 制程節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍的以下幻燈片。新圖像有一些新的細(xì)節(jié)——英特爾表示，該圖是一款移動(dòng)處理器，將投放市場(chǎng)，具有六個(gè)性能核心和兩個(gè)效率核心集群。英特爾尚未證實(shí)，但這些被認(rèn)為分別具有 Redwood Cove 和 Crestmont 架構(gòu)。Meteor Lake 和 Arrow Lake 芯片將擴(kuò)展以滿足移動(dòng)和臺(tái)式 PC 市場(chǎng)的需求，而 Lunar Lake 將服務(wù)于移動(dòng) 15W 及以下市場(chǎng)。

英特爾今天的許多披露都集中在其 3D Foveros 封裝技術(shù)上，它將用作面向消費(fèi)市場(chǎng)的 Meteor Lake、Arrow Lake 和 Lunar Lake 處理器的基石。這項(xiàng)技術(shù)允許英特爾將小芯片垂直堆疊在一個(gè)具有 Foveros 互連的統(tǒng)一基礎(chǔ)芯片上。英特爾還將 Foveros 用于其Ponte Vecchio和Rialto Bridge GPU 以及 Agilex FPGA，因此這是該公司下一代產(chǎn)品的基礎(chǔ)技術(shù)。

英特爾首次在其小批量Lakefield 處理器中將3D Foveros推向市場(chǎng)，但四tile Meteor Lake 和近 50 瓦 Ponte Vecchio 是該公司首個(gè)采用該技術(shù)大量生產(chǎn)的芯片。在 Arrow Lake 之后，英特爾將過(guò)渡到新的UCIe 互連，從而利用正在形成的使用標(biāo)準(zhǔn)化接口的小芯片生態(tài)系統(tǒng)。

英特爾透露，它將把四個(gè) Meteor Lake 小芯片（英特爾用語(yǔ)稱為“tile”）放置在無(wú)源 Foveros 中介層/基礎(chǔ)瓦片的頂部。小芯片和中介層通過(guò) TSV 連接連在一起，中介層沒(méi)有任何邏輯。Meteor Lake 基礎(chǔ)圖塊不同于 Lakefield 中的基礎(chǔ)圖塊，后者用作某種 SoC。3D Foveros 封裝技術(shù)還支持有源中介層。英特爾表示，它使用低成本和低功耗優(yōu)化的 22FFL 工藝（與 Lakefield 相同）制造 Foveros 中介層。英特爾還為其代工服務(wù)提供了此節(jié)點(diǎn)的更新的“intel 16”變體，但尚不清楚英特爾將使用哪個(gè)版本的 Meteor Lake 基礎(chǔ)tile。

英特爾將安裝使用Intel 4 進(jìn)程的計(jì)算塊、I/O 塊、SoC 塊和圖形塊 ( tGPU ) 到此中介層之上。所有這些單元都是英特爾設(shè)計(jì)并采用英特爾架構(gòu)，但外部代工廠臺(tái)積電將制造 I/O、SoC 和 GPU 塊。這意味著英特爾將只生產(chǎn) CPU 和 Foveros 模塊。

業(yè)內(nèi)人士告訴我們，I/O die 和 SoC 是在 TSMC N6 上制造的，而 tGPU 則使用 TSMC N5。（值得注意的是，英特爾將 I/O tile 稱為“I/O 擴(kuò)展器”，因此稱為 IOE。）

Foveros 使用 36 微米的凸塊間距（互連密度的關(guān)鍵測(cè)量值），這是對(duì) Lakefield 使用的 55 微米凸塊間距的改進(jìn)。Foveros 路線圖包括具有未來(lái)設(shè)計(jì)的 25 和 18 微米間距。英特爾表示，在未來(lái)，理論上它甚至可以使用混合鍵合互連 (HBI) 來(lái)達(dá)到 1 微米的凸塊間距。

成本一直是異構(gòu) 3D 封裝最重要的問(wèn)題之一，而 Foveros 將是英特爾憑借其領(lǐng)先的封裝技術(shù)首次涉足大批量生產(chǎn)。然而，英特爾表示，采用 3D Foveros 封裝生產(chǎn)的芯片與標(biāo)準(zhǔn)單片（單芯片）芯片設(shè)計(jì)相比具有極強(qiáng)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力——在某些情況下甚至可能更便宜。

英特爾將 Foveros 芯片設(shè)計(jì)為盡可能低的成本，并且仍能實(shí)現(xiàn)公司的電氣和性能目標(biāo)——它是 Meteor Lake 封裝中最便宜的芯片。英特爾尚未共享 Foveros 互連/基礎(chǔ)tile的速度和饋送，但表示這些接口可以在無(wú)源配置中以“multiple GHz”運(yùn)行（該聲明還暗示英特爾已經(jīng)在開(kāi)發(fā)中的interposer的有源版本） . 因此，F(xiàn)overos 不會(huì)產(chǎn)生任何需要設(shè)計(jì)折衷的帶寬或延遲限制。英特爾還希望該設(shè)計(jì)在性能和成本方面都能很好地?cái)U(kuò)展，這意味著它可以為其他細(xì)分市場(chǎng)提供價(jià)值優(yōu)化設(shè)計(jì)或以性能為導(dǎo)向的變體。

當(dāng)我們看他們更大的遠(yuǎn)景時(shí)，我們會(huì)看到真正的節(jié)省。由于良率問(wèn)題，隨著行業(yè)向更小的節(jié)點(diǎn)發(fā)展，尤其是單片設(shè)計(jì)，每個(gè)晶體管的前沿節(jié)點(diǎn)成本正呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。此外，為較小的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)新的 IP 塊（如 I/O 接口）并不能為投資帶來(lái)太多回報(bào)。因此，在“足夠好”的傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上重新使用非關(guān)鍵切片/小芯片可以節(jié)省時(shí)間、成本和開(kāi)發(fā)資源，更不用說(shuō)簡(jiǎn)化測(cè)試過(guò)程了。

對(duì)于單片芯片，英特爾必須連續(xù)測(cè)試不同的芯片元素，例如內(nèi)存或 PCIe 接口，這可能是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程。相比之下，英特爾可以同時(shí)測(cè)試小芯片以節(jié)省時(shí)間。Foveros 在為特定 TDP 范圍設(shè)計(jì)芯片方面也具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)設(shè)計(jì)需要定制不同的小芯片。

如果您認(rèn)為這些觀點(diǎn)中的大多數(shù)聽(tīng)起來(lái)很熟悉，那么您是對(duì)的——這些都是推動(dòng) AMD 在 2017 年走上小芯片之路的相同因素。AMD 并不是第一個(gè)使用基于小芯片的設(shè)計(jì)的公司，但它是第一個(gè)使用這種設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)現(xiàn)代量產(chǎn)芯片的公司，因此英特爾在這項(xiàng)技術(shù)上有點(diǎn)晚了。然而，英特爾最初涉足 3D 封裝技術(shù)遠(yuǎn)比 AMD 的基于有機(jī)中介層的設(shè)計(jì)復(fù)雜得多，后者既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。證據(jù)將出現(xiàn)在最終的芯片中，英特爾表示該芯片有望在 2023 年推出。Arrow Lake和Lunar Lake將在 2024 年跟進(jìn)。

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