蘋果在本月初發(fā)布了最新一代的M1 Ultra芯片，采用了獨特的 UltraFusion 芯片架構(gòu)。借助橋接工藝，這款Ultra芯片擁有 1,140 億個晶體管，數(shù)量達到了M1的 7 倍之多。雖然芯片還是采用與上一代M1 max一樣的5nm工藝節(jié)點，但在新架構(gòu)加持下，兩顆 Max 之間的互連頻寬可達 2.5TB/s。這種架構(gòu)的好處是運行在目前M1芯片上的軟件無需修改相關(guān)的指令就可以直接運行，省去了應(yīng)用端更新軟件或開發(fā)新應(yīng)用層命令的需求。同時，增加一個芯片后，對內(nèi)存處理的帶寬也直接翻倍，收獲的性能提升非常顯著，特別是針對GPU處理能力方面，是極具爆發(fā)力的。

　　蘋果M1芯片進化

　?。⊿ource：Apple）

　　近日，評測機構(gòu)也對比了幾款主流芯片與M1 Ultra的性能。在單核處理能力上，Ultra并不比Max優(yōu)秀。但在多核多線程的性能上，性能翻倍，可以說是秒殺上一代芯片。但相關(guān)的功耗并無披露，在之后的評測中可以繼續(xù)關(guān)心相關(guān)性能。

　　M1 Ultra多核多線程處理能力對比

　?。⊿ource：WCCFtech）

　　從目前透露的信息，并不能確定M1 Ultra來源于哪種橋接工藝（估計隨后的Teardown即可見分曉），因為目前包括TSMC和Intel都有埋入硅橋的類似量產(chǎn)工藝。但由于使用的是2個同樣的芯片，從芯片設(shè)計角度來說并不能算嚴(yán)格意義的Chiplet，更多是一個Multi-die package的設(shè)計。作者觀點，考慮到臺積電為Apple主力代工的關(guān)系，采用臺積電埋入硅橋的可能性較大。從臺積電宣傳介紹了解到LSI在去年Q1還在做驗證，而M1 Max在去年10月左右推出，M1 Ultra今年3月推出，在開發(fā)時間上雖然很緊湊但也并非不可匹配。M1 Max在推出的時候也預(yù)留了橋接的I/O，加快了M1 Ultra的開發(fā)周期。由此可見Ultra早已在1年前或更早時間就已經(jīng)在蘋果的計劃中。

　　臺積電的局部硅橋（local silicon interconnect）

　?。⊿ource: 臺積電）

　　臺積電的硅橋技術(shù)分為硅通孔橋和硅上RDL橋。所謂硅通孔橋就是在埋入的硅橋中有TSV，信號穿過硅通孔，通過TSV進行橋接。而RDL橋就是在硅上進行RDL制備，而為了確?？煽啃院凸に嚰嫒?，目前主要的絕緣層材料大多采用ABF或低熱膨脹EMC。

　　臺積電局部硅橋（local silicon interconnect）

　?。⊿ource: TSMC）

　　臺積電局部硅橋基于晶圓級硅工藝，比如金屬化和鈍化層形成等仍然是采用IC制造機臺，因此其RDL精度非常高，可以輕松實現(xiàn)2微米線寬。這與Intel的Embedded Multi-Tile Interconnect Bridge（EMIB）工藝完全不同，因為EMIB是使用板級基板工藝機臺，雖說硅橋本身可以做到2微米線寬，但埋入的后期工藝配合上有些挑戰(zhàn)，本文后面會介紹。

　　臺積電高密度RDL

　?。⊿ource: TSMC）

　　臺積電的InFO/CoW我們接收的信息比較多了，很多文章有介紹過，這里不進行詳述。接下來我們重點看看Intel的EMIB技術(shù)。

　　早在2011年的一個封裝國際會議上【1】, Intel的工程師就提出了用硅橋連接2個硅處理器的概念。而當(dāng)時的版本還未提及埋入這一概念，只是展示了橋接后較好的電性能。對如何封裝，如何大規(guī)模生產(chǎn)，以及如何保證封裝體的可靠性等都是未知數(shù)。

　　硅橋連接【1】

　　但很快，Intel在次年（2012）的一份專利中將目前版本的雛形進行了描述【2】。而這份專利直到2015年授權(quán)之后才被公開。所以，我們其實能看到的最早對EMIB的詳細(xì)描述是Intel在2016年ECTC發(fā)表的論文【3】。在這篇論文中，Intel展示了EMIB的結(jié)構(gòu)，工藝，樣品性能等。通過這一技術(shù)，EMIB可以實現(xiàn)與CoWoS類似的I/O數(shù)量和帶寬。然而，開發(fā)結(jié)合封裝基板技術(shù)與芯片制備技術(shù)的混合芯片封裝體充滿挑戰(zhàn)，即使強大如Intel也花費了不少時間，至今才達到了能量產(chǎn)的程度。接下來我們結(jié)合Intel發(fā)表的一些公開的論文，試圖管中窺豹。

　　EMIB內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖【3】

　　相對于其他2.5D/3D封裝技術(shù)，EMIB的主要技術(shù)優(yōu)勢有以下幾點【4】：

       1.利用先進有機基板工藝實現(xiàn)局部高密度布線。區(qū)別于需要更大尺寸硅中介層和高密度硅通孔（TSV）的其他2.5D多芯片封裝技術(shù)，能針對I/O需求實現(xiàn)局部高密度布線。

　　2.無光罩尺寸限制。由于要保證曝光顯影的精準(zhǔn)度和數(shù)值孔徑，光刻工藝的光罩尺寸范圍通常有其限制，例如M1 Max的芯片最大可用尺寸在19.05mmx22.06mm（約420mm?），已經(jīng)是臺積電硅橋CoWoS工藝的一半。EMIB則無需限制芯片尺寸，可以通過局部硅橋?qū)崿F(xiàn)相對自由的芯片尺寸搭配（InFO-LSI也是干這個事）

　　3.相對硅TSV而言，EMIB的制造工藝更簡單，成本也相對更低（如果良率相等的情況）。同時，減少更多硅的浪費，只在需要互聯(lián)的地方放置硅橋。

　　然而主要的挑戰(zhàn)在板級工藝。因此EMIB缺點主要集中在工藝實現(xiàn)【4】：

　　1.引入了更復(fù)雜的有機基板制備工藝，在精準(zhǔn)度控制上遠(yuǎn)高于目前的有機基板布線。由此需要針對這一系統(tǒng)進行特殊材料和工藝的開發(fā)。

　　2.跟普通的倒裝芯片類似，由于有機基板的熱膨脹系數(shù)（CTE）與硅橋芯片的CTE存在失配，使得表面貼裝的芯片引腳，芯片背面和填充熱界面材料之間產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

　　EMIB工藝由于搭配了硅和有機基板工藝，所以在技術(shù)上體現(xiàn)了目前先進封裝的一個主流趨勢 - 融合，特別是前段硅制程與后端封裝制程的融合。從硅橋部分來看，通常，硅橋的尺寸在2-8毫米左右，而芯片厚度在75微米以下，從而保證跟基板工藝所匹配，同時實現(xiàn)較高精準(zhǔn)度的布線和對準(zhǔn)工藝。目前Intel針對的是4層布線結(jié)構(gòu)的開發(fā)，能滿足大多數(shù)I/O需要。雖然，目前硅橋上的金屬布線的線間距可以穩(wěn)定實現(xiàn)2微米，進一步進行細(xì)微化也是非?？尚械?，因為金屬布線的結(jié)構(gòu)都是在目前成熟的硅后端工藝中進行制造。然而，隨著布線寬度的減小，線電阻會急劇增加，線間的電容也會改變，這給信號的完整性（integrity）增加了挑戰(zhàn)。因此，在進行硅橋走線設(shè)計時，需要非常詳細(xì)的架構(gòu)設(shè)計和模擬工作來保證最終的產(chǎn)品性能。另外，介電層的材料介電常數(shù)和高頻損耗對布線也有影響。因此，硅橋的設(shè)計工作是非常挑戰(zhàn)的，它完全不同于目前的硅芯片設(shè)計師們的日常設(shè)計理念，而需要懂材料，懂封裝，懂制程和懂信號完整性的資深工程師（們）來共同實現(xiàn)。

　　硅橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖【4,5】

　　從硅橋的集成部分來看大概的工藝流程涉及到幾個關(guān)鍵步驟：基板的壓合，銅制程，激光以及芯片貼裝的埋入工藝。針對特殊工藝，Intel開發(fā)了自家的埋入封裝（embedded）制程。其實在當(dāng)時埋入封裝已經(jīng)不是什么新東西，日本的廠家在早年曾做過針對電阻電容的埋入封裝。但由于那時還是PCB工藝，用的是CO2激光，非常粗糙；鍍銅工藝也相對落后，根本沒法做2微米的線寬，自然也不會有人想到用基板工藝去做芯片的高密度連接。Intel在10年前能想到用硅橋技術(shù)結(jié)合埋入封裝確實是一個大膽之舉。在加成法（Additive）鍍銅工藝和Coreless基板工藝成熟后，EMIB的實現(xiàn)也就水到渠成了。

　　EMIB工藝示意圖【4】

　　埋入的過程由于采用有機基板工藝，對公差的控制提出了更高的要求，例如芯片的厚度，芯片的切割，芯片的貼裝，和薄片的轉(zhuǎn)移等都是及其挑戰(zhàn)的，需要獨有機器進行配合。另外，整體的基板制備是扇出型的大板（FOPLP）封裝形式（500mm X 500mm），對板級的工藝一致性要求非常高。然而，在達到相對成熟的工藝良率后，產(chǎn)出的成本是相對較低的。同時，大板封裝有其先天優(yōu)勢，適合制造非常大的集成芯片，這與目前的小芯片（Chiplet）技術(shù)上的需求是吻合的。與普通FOPLP不同的是，EMIB并不需要將芯片從臨時的載板上取下，當(dāng)芯片被貼上之后就是永久固定的，減小了芯片在后續(xù)工序中位移的風(fēng)險。

　　埋入在有機基板中的硅橋【6】

　　硅橋的芯片雖然只有2-8mm，但是小于75微米的薄片會由于內(nèi)部的Cu布線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生芯片翹曲。另外，芯片貼裝膜（DAF）的存在也會直接導(dǎo)致切割后的芯片產(chǎn)生翹曲。因此，如何控制貼裝之后的芯片不產(chǎn)生孔洞及分層，乃至芯片破裂又是一個挑戰(zhàn)所在。針對這一要求，Intel開發(fā)了針對這一工序的DAF材料，并通過優(yōu)化基板銅層的表面，貼裝材料固化工藝和有機材料的疊層工藝，實現(xiàn)了可接受的過程。

　　無分層的芯片貼裝截面【6】

　　在除了以上跟芯片貼裝相關(guān)的精準(zhǔn)控制要求之外，在進行大面積高數(shù)量激光鉆孔的對準(zhǔn)上也極其挑戰(zhàn)。硅橋表面的銅引腳尺寸在50微米左右（或更小），而間距（pitch）可能在70微米（或更?。?。因此對激光鉆孔機器本身的對準(zhǔn)要求極高。如激光開口無法與硅橋上的銅引腳對應(yīng)（部分對應(yīng)也不行），在之后的阻抗匹配和信賴性的表現(xiàn)上就有可能會出現(xiàn)問題。當(dāng)然，除了激光通孔，也可以使用掩膜版光刻的形式去形成對位孔，采用物理刻蝕的方式去形成通孔，而Intel采用何種工藝估計會根據(jù)孔的密度來進行選擇。

　　埋入的硅橋需要精準(zhǔn)的激光鉆孔對位【6】

　　在實現(xiàn)上下通孔后，要實現(xiàn)互聯(lián)的工序就是進行化學(xué)及電化學(xué)銅沉積，這在基板工藝中是成熟工藝。但通孔的尺寸實在是很小，對填銅工藝是有挑戰(zhàn)的，當(dāng)液體無法進行充分的離子交換，填銅的速度在整個500mmx500mm的大板中沉積的速度不一樣時就會導(dǎo)致不同的填充厚度。同時水平和垂直電鍍線的藥水和工藝能力也存在較大差異，相信Intel在開發(fā)過程中在這一工序上沒少嘗試。

　　硅橋上填充的銅通孔【6】

　　Intel自家的技術(shù)自然也在自家的產(chǎn)品上積極運用。針對超級計算機和人工智能應(yīng)用，Intel在2019年公布了基于Xe架構(gòu)的芯片系統(tǒng)-真的是一個芯片系統(tǒng)，非常多芯片。該系統(tǒng)被命名為Ponte Vecchio，是用于高性能計算的下一代加速器。它結(jié)合47個Magical Tiles，主要由Compute Tiles、Base Tiles、Rambo Cache tile和Xe Link Tiles組成，每個Tiles都使用不同的制程制造。關(guān)于該芯片的命名，來源于意大利佛羅倫薩最古老的橋韋基奧橋（Ponte Vecchio），橋最初是以建筑師的名字命名的，類似我們中國貴州的風(fēng)雨廊橋。而Intel以此橋為名字，想必是為了體現(xiàn)該系統(tǒng)的經(jīng)典和復(fù)雜，因為在現(xiàn)實中這座橋和周圍的建筑是一個拜占庭式的龐然大物，橋的兩邊是當(dāng)?shù)氐奶厣ㄖ鼈兺ㄟ^這座橋以巧妙的方式相互連接，形成這么一個古老而又有特殊建筑風(fēng)格的大師級作品。

　　意大利Ponte Vecchio橋

　　Intel芯片架構(gòu)及Ponte Vecchio集成

　?。⊿ource: Intel）

　　在Ponte Vecchio芯片中，不僅有EMIB，還有FOVEROS，可謂是當(dāng)今3D集成度頂尖的芯片案例。美國能源部超級計算機Aurora將以Ponte Vecchio為核心的，每個Ponte Vecchio系統(tǒng)每秒能夠進行超過45萬億次32位浮點運算。四個這樣的系統(tǒng)與兩個Sapphire Rapids CPU一起構(gòu)成一個完整的計算系統(tǒng)。超過54000個Ponte Vecchios和18000個SapphireRapids組合在一起，形成Aurora。

　　Ponte Vecchio高性能加速器GPU

　　及其EMIB結(jié)構(gòu)【7】

　　當(dāng)芯片節(jié)點來到5nm，僅僅通過硅工藝來延續(xù)摩爾定律似乎已經(jīng)捉襟見肘。臺積電和Intel用先進封裝結(jié)合硅工藝給半導(dǎo)體行業(yè)帶來了新的范式，通過先進封裝系統(tǒng)集成給摩爾定律的延續(xù)，提供了一種新的方向。