文｜半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

近些年，以CPU和GPU為代表的處理器在應(yīng)用需求的推動(dòng)下，相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造和封裝等技術(shù)都在發(fā)展變化當(dāng)中。封裝方面，雖然當(dāng)下的3D技術(shù)很熱，但對(duì)于絕大多數(shù)處理器來說，2D和2.5D封裝技術(shù)仍是主流，而傳統(tǒng)的MCM（Multi-Chip-Module，多芯片模塊）煥發(fā)了第二春，各大CPU和GPU廠商都在大規(guī)模部署采用這種封裝技術(shù)的產(chǎn)品。

MCM是一種由兩個(gè)及以上Die，或者芯片尺寸封裝（CSP）的IC組裝在一個(gè)基板上的模塊，形成一個(gè)電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)，基板可以是PCB、陶瓷或硅片。整個(gè)MCM可以封裝在基板上，也可以封裝在封裝體內(nèi)。MCM可以是便于安裝在電路板上的標(biāo)準(zhǔn)化封裝，也可以是一個(gè)具備電子功能的模塊，它們都可直接安裝到電子系統(tǒng)中（PC、儀器、機(jī)械設(shè)備等）。

MCM可分為以下三種基本類型：

MCM-L：是采用片狀多層基板的MCM，MCM-L是高密度封裝的PCB技術(shù)，適用于采用鍵合和FC工藝的MCM。MCM-L不適用于有長期可靠性要求和使用環(huán)境溫差大的場(chǎng)合。

MCM-C：是采用多層陶瓷基板的MCM，適于模擬電路、數(shù)字電路、混合電路、微波器件等多種應(yīng)用。

MCM-D：是采用薄膜技術(shù)的MCM，MCM-D的基板由多層介質(zhì)、金屬層和基材組成。介質(zhì)層要求薄，金屬互連要細(xì)小，同時(shí)具備適當(dāng)?shù)幕ミB阻抗。

MCM封裝的優(yōu)點(diǎn)可以概括為以下三點(diǎn)：1、可大幅提高電路連線密度，提升封裝效率；2、可完成“輕、薄、短、小”的封裝設(shè)計(jì)；3、可提升封裝的可靠性。

近些年，SiP封裝技術(shù)深入產(chǎn)業(yè)人心，那么，MCM與它相比如何呢？實(shí)際上，芯片封裝技術(shù)的發(fā)展是不斷進(jìn)步和創(chuàng)新的過程，是對(duì)原有技術(shù)的整理、迭代、創(chuàng)新和再發(fā)展，MCM和SiP也是如此。MCM是在各種高密度多層基板上封裝，主體是Die，制成部件的電路一般較為復(fù)雜，因此，MCM是一種高級(jí)混合集成技術(shù)。SIP的市場(chǎng)規(guī)模和增長空間比MCM大，SIP是MCM進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，是芯片和元器件在不同工作頻段的高密度組裝和互連。MCM主要通過將各種Die堆疊連接，元器件較少，通常以數(shù)字芯片、存儲(chǔ)器為主，而SIP可封裝不同制程工藝、不同功能的芯片，芯片之間可進(jìn)行信號(hào)的存取和交換，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)目標(biāo)產(chǎn)品的全部互連、功能和性能。

可見，相對(duì)而言，SiP比MCM先進(jìn)，但這并不影響后者被越來越多的CPU和GPU廠商采用。因此，成熟的技術(shù)并不一定不如先進(jìn)技術(shù)，這與近些年成熟制程節(jié)點(diǎn)技術(shù)火爆，產(chǎn)能供不應(yīng)求的局面有異曲同工之妙。

MCM CPU大行其道

對(duì)于CPU而言，MCM并不是新技術(shù)，早在1995年，英特爾推出Pentium Pro時(shí)，就曾采用MCM封裝技術(shù)，用以提升處理器執(zhí)行效能。2005年，發(fā)布新款Pentium D和Xeon 5000系列CPU時(shí)，也都采用了MCM封裝技術(shù)，當(dāng)時(shí)是業(yè)界首款雙核CPU。

不過，過去十幾年，主流多核CPU更多采用原生多核設(shè)計(jì)，直到近幾年，原生多核設(shè)計(jì)CPU的核心數(shù)量很難有更高增長，使得MCM封裝技術(shù)重新嶄露頭角。

目前來看，越來越多新一代多核CPU開始采用MCM封裝。2018年前后，AMD在設(shè)計(jì)64核服務(wù)器CPU時(shí)，就采用了該技術(shù)。AMD的這一設(shè)計(jì)是領(lǐng)先英特爾的，價(jià)格只是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Xeon處理器的一半，而且還更省電。做到這一點(diǎn)，是因?yàn)锳MD采取了“老設(shè)計(jì)，新制程”策略，“老設(shè)計(jì)”就是已經(jīng)很成熟的MCM封裝技術(shù)，“新制程”則是采用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的7nm制程，以提高核心密度。近兩年，AMD將該思路進(jìn)一步拓展，也就是當(dāng)下最為火爆的Chiplet及其封裝技術(shù)。

對(duì)于CPU，特別是服務(wù)器CPU廠商來說，多核產(chǎn)品已經(jīng)是標(biāo)配，因?yàn)樗粌H功耗更低，良率也能提高不少。采用MCM封裝設(shè)計(jì)，廠商在設(shè)計(jì)多核CPU時(shí)，不用非要將所有核都放入單一晶粒，而是可以設(shè)計(jì)成多晶粒架構(gòu)，也就是將一個(gè)大核分拆成多個(gè)小核，封裝在多個(gè)晶粒里，再整合成單一CPU。與原生多核設(shè)計(jì)相比，采用MCM封裝設(shè)計(jì)的多核CPU，核數(shù)可以實(shí)現(xiàn)突破性增長，甚至翻倍，這也是近些年AMD服務(wù)器CPU市場(chǎng)規(guī)?？焖僭鲩L的一個(gè)原因。

不止AMD，原本主張?jiān)嗪嗽O(shè)計(jì)的英特爾，也不得不做出妥協(xié)，近些年在設(shè)計(jì)新款多核CPU時(shí)，重新采用MCM封裝，以實(shí)現(xiàn)更多核心數(shù)量和更高效能。

2019年發(fā)布第十代HEDT高端桌面處理器之后，英特爾已有兩年多沒推出HEDT新品，最新消息顯示，該公司可能在2022下半年推出Golden?Cove高性能核心HEDT產(chǎn)品，主要是Sapphire?Rapids-AP。

在最近泄露的Xeon CPU基準(zhǔn)測(cè)試中，消息人士表示，英特爾正在醞釀Sapphire?Rapids-AP新陣容，其中“AP”曾被用于使用MCM封裝的旗艦級(jí)Cascade?Lake-AP產(chǎn)品線。Sapphire?Rapids-SP系列已采用過4組MCM設(shè)計(jì)，每個(gè)芯片最多有15個(gè)核，Sapphire?Rapids-SP被視作“AP”的衍生版本。有消息稱，HEDT產(chǎn)品線雖然針對(duì)臺(tái)式機(jī)市場(chǎng)，但英特爾更傾向于將其投放到工作站市場(chǎng)。作為采用MCM封裝的產(chǎn)品，Sapphire?Rapids系列包含許多款SKU，旗艦款的熱設(shè)計(jì)功耗可輕松突破350W。

近幾年，蘋果正在爭(zhēng)奪英特爾和AMD的CPU市場(chǎng)，特別是筆記本電腦，蘋果在較短時(shí)間內(nèi)取得了不錯(cuò)的業(yè)績。該公司設(shè)計(jì)的CPU同樣看中了MCM封裝設(shè)計(jì)。2021年12月，有業(yè)內(nèi)人士展示了M1 Max芯片底部的隱藏部分，如下圖所示，所展示的就是MCM，蘋果采用該封裝設(shè)計(jì)的主要目的是將多個(gè)Die堆疊在一起，從而大大增加CPU和GPU內(nèi)核數(shù)量。

GPU跟進(jìn)

隨著GPU在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用越來越普及，原本用于CPU的MCM封裝技術(shù)開始向GPU領(lǐng)域滲透，特別是高性能計(jì)算，在業(yè)界受到了越來越多的關(guān)注。

傳統(tǒng)顯卡是帶有多個(gè)GPU的PCB板卡，需要連接兩個(gè)獨(dú)立顯卡的Crossfire或SLI橋接器。傳統(tǒng)的SLI 和 CrossFire需要 PCIe 總線來交換數(shù)據(jù)、紋理、同步等。由于GPU之間的渲染時(shí)間會(huì)產(chǎn)生同步問題，因此在許多情況下，傳統(tǒng)的雙GPU顯卡，即單個(gè)PCB上的兩個(gè)芯片由它互連，每個(gè)芯片都有自己的VRAM。SLI或CrossFire的能耗很大，冷卻也是一個(gè)挑戰(zhàn)，這些在很長一段時(shí)間內(nèi)都困擾著工程師。MCM是一個(gè)單獨(dú)封裝，其板載橋接器取代了傳統(tǒng)兩個(gè)獨(dú)立顯卡之間的Crossfire或SLI橋接器。在高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域，這種采用MCM封裝的GPU優(yōu)勢(shì)明顯。

最早將MCM封裝技術(shù)引入GPU的是AMD。2020年，該公司把游戲卡與專業(yè)卡的GPU架構(gòu)分家了，游戲卡的架構(gòu)是RDNA，而專業(yè)卡的架構(gòu)是CDNA，首款產(chǎn)品是Instinct MI100系列。2021年，AMD的Q2財(cái)報(bào)確認(rèn)CDNA 2 GPU已經(jīng)向客戶發(fā)貨了，其GPU核心代號(hào)是Aldebaran，它成為該公司首款采用MCM封裝的產(chǎn)品。在PC方面，2022年引入下一代RDNA 3架構(gòu)后，基于MCM的消費(fèi)級(jí)Radeon GPU也會(huì)出現(xiàn)。

制造多芯片計(jì)算 GPU 類似于制造多核 MCM CPU，例如Ryzen 5000或Threadripper處理器。首先，將芯片靠得更近可以提高計(jì)算效率。AMD 的 Infinity 架構(gòu)確保了高性能互連，有望使兩個(gè)芯片的效率接近一個(gè)的。其次，使用先進(jìn)的工藝技術(shù)批量生產(chǎn)多個(gè)小芯片比大芯片更容易，因?yàn)樾⌒酒ǔＨ毕葺^少，因此比大芯片的產(chǎn)量更好。

不久前，AMD發(fā)布了基于RDNA 3架構(gòu)的GPU，也就是Radeon RX 7000，該系列最新顯卡有三款GPU，分別是Navi 31、Navi 32和Navi 33，其中，Navi 31和Navi 32將采用MCM封裝。

GPU大廠英偉達(dá)也在跟進(jìn)MCM封裝。

目前，英偉達(dá)在MCM封裝GPU上的方案稱為“Composable On Package GPU”（COPA）。COPA GPU架構(gòu)具有混合/匹配多個(gè)硬件塊能力，它能更好地適應(yīng)當(dāng)今高性能計(jì)算的動(dòng)態(tài)工作負(fù)載和深度學(xué)習(xí)環(huán)境。這種整合更適應(yīng)多種類型工作負(fù)載，可帶來更高水平的GPU復(fù)用。

面向數(shù)據(jù)中心和消費(fèi)市場(chǎng)，英偉達(dá)分別推出了基于Hopper架構(gòu)和Ada Lovelace架構(gòu)的GPU。據(jù)悉，該公司只會(huì)在Hopper架構(gòu)GPU上采用MCM技術(shù)，Ada Lovelace架構(gòu)GPU仍會(huì)保留傳統(tǒng)的封裝設(shè)計(jì)。

作為英偉達(dá)第一款基于MCM技術(shù)的GPU，Hopper架構(gòu)產(chǎn)品將采用臺(tái)積電5nm制程工藝，支持HBM2e和其它連接特性，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是AMD的CDNA 2架構(gòu)產(chǎn)品，以及英特爾的Xe-HP架構(gòu)GPU。

在獨(dú)立顯卡GPU的研發(fā)方面，英特爾落后了不少，看到英偉達(dá)在GPU市場(chǎng)呼風(fēng)喚雨，英特爾坐不住了，近些年在這方面大力投入，以期趕上產(chǎn)業(yè)步伐。而在MCM封裝GPU方面，該公司也有了新動(dòng)作。

不久前，英特爾公布新專利，描述了多個(gè)計(jì)算模組如何協(xié)同工作執(zhí)行圖像渲染，表示該公司GPU將采用MCM封裝設(shè)計(jì)。在新專利中，英特爾提出GPU圖像渲染解決方案，將多芯片整合至同一單元，解決制造和功耗等問題，同時(shí)優(yōu)化可擴(kuò)展性和互聯(lián)性。

據(jù)悉，英特爾整合了運(yùn)算模組的棋盤格式渲染，還有分布式運(yùn)算，使多芯片設(shè)計(jì)GPU有更高的運(yùn)算效率。雖然該公司沒有對(duì)架構(gòu)細(xì)節(jié)做深入描述，但估計(jì)搭載MCM封裝GPU的Intel Arc顯卡離我們不遠(yuǎn)了。

綜上，無論是CPU，還是GPU，各大廠商都越來越多地采用了MCM封裝技術(shù)，掀起了一波“復(fù)古”熱潮。