Мы уже несколько раз говорили о том, что почти все производители полупроводников работают над оптимизацией техпроцессов, переходя на все меньшие структуры. То же самое касается и корпусировки, которая часто становится еще более важным фактором. Все же современные кристаллы производятся на пределе возможностей. А корпусировка открывает новые возможности путем объединения нескольких чиплетов в одном корпусе, добавления кристаллов памяти и не только.
Intel анонсировала обновление своей стратегии "Advanced Packaging", которому и посвящена наша статья. Впрочем, некоторые сведения известны уже несколько месяцев или даже лет. Однако еще одно подтверждение планов – хороший знак, учитывая последние изменения в стратегии Intel и даже отказы по некоторым продуктам. Intel раскрыла подробности не только еще меньших техпроцессов и структур, но и новых материалов, таких как стеклянная подложка. Что дает новые геометрические формы в дизайне чиплетов.
Intel уже использует продвинутые технологии корпусировки в большей части своих продуктов. Процессоры Xeon четвертого поколения опираются на EMIB, чтобы соединить четыре вычислительных тайла, а в случае Xeon Max еще и память HBM2e. Ускоритель GPU Data Center Max "Ponte Vecchio" для дата центров можно назвать самой совершенной реализацией Intel, поскольку в корпусировке содержатся 47 тайлов. Между тем настольные процессоры и GPU по-прежнему монолитные, хотя и опираются на современные технологии корпусировки и техпроцесс. Причина в том, что Intel здесь не видит смысла переходить на дизайн чиплетов из-за увеличения себестоимости.
Конечно, помимо Intel и другие компании разрабатывают свои технологии корпусировки, здесь можно упомянуть Samsung, IBM и ту же TSMC. И разработчики чипов AMD, NVIDIA и многие другие опираются на компетенцию упомянутых компаний при производстве чипов. В будущем Intel планирует расширить клиентскую базу за счет IFS – компания будет выпускать чипы «на заказ» или упаковывать готовые кристаллы. Чуть ниже мы это тоже обсудим.
Текущее состояние Intel
На данный момент Intel использует следующие технологии корпусировки:
Для четвертого поколения Xeon с кодовым названием Sapphire Rapids применяется технология моста EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) с расстоянием между контактными шариками 55 мкм. Через EMIB соединяются четыре вычислительных кристалла и опционально четыре чиплета памяти HBM2e. Процессоры Meteor Lake перейдут на технологию Foveros с шагом между контактными шариками 36 мкм. На базовый тайл будут устанавливаться несколько других тайлов, формируя единую корпусировку. В чипах Data Center GPU Max, известных под кодовым названием Ponte Vecchio, используются EMIB с шагом 55 мкм и Foveros с 36 мкм. Все эти технологии уже работают в нынешнем году.
В будущем планируется развивать корпусировку 2.5D и 3D, но Intel не собирается сбрасывать со счетов технологии 2D и MCP (Multi Chip Packaging), поскольку спрос на них по-прежнему есть. На данный момент выпускаются корпусировки FCBGA и FCLGA с расстоянием между контактными шариками 100 мкм и размерами 92 x 92 и 100 x 100 мм. В будущем чипы могут превысить площадь 100 x 100 мм, а расстояние между шариками станет меньше 90 мкм.
Технология EMIB уже несколько раз оптимизировалась, на новом этапе планируется перейти на меньшее расстояние между контактными шариками 45/36 мкм, а также добавить сквозные соединения TSVs (through-silicon via). Соединения TSVs могут использоваться для подачи питания на чип в слое выше и память HBM. На данный момент через EMIB можно соединять чипы с 4,5x масштабированием фотомаски (reticle). Данный уровень определяет, чипы какого размера можно проецировать на подложке в процессе фотолитографии. Сегодня максимум составляет 26 x 33 мм или 858 мм². В случае High-NA EUV размер уменьшится до 26 x 16,5 мм или 429 мм², что связано с массивом аморфных линз.
Но дальнейшие улучшения EMIB позволят выпускать кристаллы с 6x масштабированием. Пока не совсем понятно, что здесь подразумевается: нынешнее ограничение EUV 850 мм² или новое 430 мм².
Для Foveros Intel планирует перейти с шага между шариковыми контактами 36 мкм (реализация Meteor Lake) на 25 мкм. Затем с Foveros Direct технология шариковых контактов останется в прошлом, будет использоваться прямое соединение медь-медь. TSMC уже применяет такой способ с чипами Apple M1 Ultra или с дополнительным кэшем 3D V cache SRAM на процессорах Ryzen и EPYC. Первая версия Foveros Direct подразумевает расстояние между контактами 10 мкм, но затем его планируется снизить до 5 мкм.
Стеклянная положка – более надежная и стабильная
До 2012/13 года для корпусировки чипов использовалась керамическая подложка. Затем производители чипов перешли на органические соединения, которые применяются сегодня для подложек с чиплетами. Следующий шаг – стеклянные подложки.
Стеклянные подложки характеризуются меньшей степенью теплового расширения и лучшей стабильностью по сравнению с органическими материалами. Также они позволят перейти на новые геометрические формы в многочиповых корпусировках. Стабильность весьма важна при производстве, поскольку органическая подложка может деформироваться в момент установки чипа из-за нагрева. Что не позволяет добиться желаемой точности.
В случае стеклянных подложек открывается возможность интеграции новых систем ввода/вывода в корпусировку. Например, оптические соединения на скорости до 448G. Переход на стеклянные подложки ожидается в 2025 году, на данный момент Intel оценивает их перспективу с точки зрения прибыльности и окупаемости.
Intel уже многие годы работает над кремниевой фотоникой. Другие производители тоже исследуют данную область. Оптические тайлы ввода/вывода уже получены и будут использоваться, по крайней мере, для будущих поколений чипов. Но пройдет какое-то время, прежде чем чипы повсеместно перейдут на стеклянные подложки. Здесь Intel называет вторую половину нынешнего десятилетия.
Intel подчеркивает свою компетенцию по тестированию
При обсуждении производства кристаллов неизбежно поднимается тема доли выхода годных чипов. Во время нашего визита на Fab 28 в Израиле впечатление было действительно таким, как будто Intel всеми силами пытается увеличить долю выхода годных кристаллов. Девизом Fab 28 был «каждый кристалл хочет жить», и Intel распространила такой подход по всему миру.
Если посмотреть на корпусировку Ponte Vecchio с 47 активными чипами с пятью разными технологиями производства, то необходимость высокой доли выхода годных кристаллов становится очевидной. Если один из чипов будет дефектным, то придется выкидывать всю корпусировку. Поэтому перед установкой в корпусировку все чипы проходят тщательное тестирование, Intel гарантирует их работу на 99,999%. Именно здесь Intel видит свои преимущества, поскольку у компании накопился богатый опыт тестирования.
Возможны тесты отдельных кристаллов и участков на них. В случае Ponte Vecchio тестирование выполняется в несколько шагов, чипы устанавливаются на подложку друг за другом. Установка кристалла на органическую подложку – задача не самая простая, здесь требуется тщательно все контролировать, чтобы обеспечить должный контакт многих тысяч соединений между чипами и подложкой – и это только один пример.
Корпусировка на Intel Foundry Services
Intel продолжает разрабатывать собственные чипы, но в будущем компания видит хорошие перспективы Intel Foundry Services. Разработчики чипов могут обращаться к Intel для производства чипов, тестирования или корпусировки. Все эти сервисы Intel планирует обеспечивать.
Изначально клиентам будут предложены техпроцессы Intel 16, Intel 3 и Intel 18A – в том числе с EDA (Electronic Design Automation), Intel IP и всем сопутствующим дизайном. Также Intel предложит технологии корпусировки EMIB и Foveros. Таким образом, спектр услуг будет полным: клиент может прийти к Intel просто с набором спецификаций, а Intel разработает дизайн чипа, выпустит его, корпусирует и подготовит финальный продукт. Также клиент может выпускать кристаллы на мощностях TSMC, а корпусировать их на заводе Intel, используя технологии EMIB или Foveros. Возможно и просто тестирование.
Сервисы OSAT не зависят от производителя чипов. Intel отвечает за сборку, корпусировку и тестирование. А кристаллы может выпускать любой контрактный производитель, будь то TSMC или Samsung. Intel уже использует подобный принцип с ускорителями Ponte Vecchio, его планируется перенести и на Meteor Lake, где часть кристаллов будут производиться не Intel, а на мощностях TSMC. А Intel уже будет обеспечивать корпусировку.
В ближайшие годы Intel планирует серьезно развить технологии корпусировки, что будет сопровождаться дальнейшим совершенствованием технологий производства – здесь известны точные планы вплоть до техпроцесса Intel 18A. Но, как учит опыт, Intel следует доказать, что компания сможет следовать своим планам. С корпусировкой проблем было меньше, но с техпроцессами последние десять лет все оказалось не таким гладким. Теперь ежегодно происходит переход на Intel 7, Intel 4, Intel 3, Intel 20A и Intel 18A, и пока у Intel все идет по плану.
Конечно, следует дождаться результатов и отзывов компаний, которые попробуют IFS в деле. Intel планирует стать самым крупным контрактным производителем. Сегодня здесь лидирует TSMC, и тайваньский производитель не будет останавливаться на достигнутом.
Подписывайтесь на группу Hardwareluxx ВКонтакте и на наш канал в Telegram (@hardwareluxxrussia).