降维打击！Intel 3D立体封装深度揭秘：前途无量

　　半导体行业的技术难度正呈几何指数般的速度加大，以往很多惯用手段都开始渐渐失灵了。面对越来越难做的芯片，未来该何去何从?

　　最近，Intel提出了革命性的Foveros 3D立体芯片封装技术，首次为CPU处理器引入了3D堆叠式设计，堪称产品创新的催化剂，或将成为CPU处理器历史上一个重要的转折点。

　　它允许在新的设备外形中“混搭”(mix and match) 不同工艺、架构、用途的技术 IP 模块、各种内存和 I/O 元件，使得产品能够分解成更小的组合，同时将之前分散、独立的不同模块结合为一体，以满足不同应用、功耗范围、外形尺寸的设计需求，以更低的成本实现更高的或者更适宜的性能。

　　其实在此之前，Intel曾经应用过一种2D集成技术“EMIB”(嵌入式多芯片互连桥接)，把不同工艺、功能的IP模块整合到单一封装中，相比传统2D单片设计更有利于提高良品率、提升整体性能、降低成本、加快产品上市速度，典型产品代表就是集成了Intel八代酷睿CPU、AMD Vega GPU图形核心的Kaby Lake-G系列。

　　Foveros则进化到了3D集成，延续2D集成各种优势的同时，加上全新水平的集成密度和灵活性，首次让逻辑芯片可以堆叠在一起，彻底颠覆并重新构建了系统芯片架构。

　　套用刘慈欣科幻大作《三体》里的一个流行梗，可以说Intel站在3D的角度上，对传统2D芯片发动了一场“降维打击”。

　　在Intel提供的Foveros 3D堆叠封装示意图上，可以清楚地看到这种盖楼式设计的巧妙之处：

　　最底部的封装基板之上，是核心的基础计算芯片，再往上可以堆叠计算、视觉等各种模块，高性能逻辑、低功耗逻辑、高密度内存、高速内存、传感器、功率调节器、无线电、光电子等等就看你需要什么了，无论是Intel IP还是第三方IP都可以和谐共处，客户完全可以根据需要自由定制。

　　这是从侧视角度展示的Foveros 3D封装的结构示意图：最下边是封装基底，之上安放一个底层芯片(Bottom Chip)，起到主动中介层(Active Interposer)的作用——AMD Fiji/Vega核心整合封装HBM显存就有类似的存在。

　　中介层之上就可以放置各种不同的新品或模块，比如CPU、GPU、内存、基带……

　　而在中介层里有大量的TSV 3D硅穿孔，负责联通上下的焊料凸起(Solder Bump)，让上层芯片和模块与系统其他部分通信。

　　当然，如何处理不同模块之间的高速互连，确保整体性能、功耗等都处于最佳水平，无疑是非常考验设计能力和技术实力的，TSV硅穿孔、分立式集成电路就是其中的关键所在。

　　Intel表示，不同用途芯片或者功能模块对晶体管密度的需求是截然不同的，性能、功耗、成本也相差很大，因此所有芯片模块都使用同一种工艺不会达到最佳效果，尤其是新工艺越来越难，都硬上新工艺不值得，也越来越不容易做到。

　　Intel还强调，3D封装不一定会降低成本，但重点也不在于成本，而是如何把最合适的IP放在最合适的位置上，进行混搭，这才是真正的驱动力。

　　Foveros 3D封装技术将从2019年下半年开始，陆续出现在一系列产品中，未来也会成为Intel芯片设计的重要根基。

　　首款产品代号为“Lakefield”，也是全球第一款混合CPU架构产品。Intel同时展示了基于该处理器的小型参考主板，称其可以灵活地满足OEM各种创新的设备外形设计。

　　Lakefield将会结合高性能的10nm运算堆叠小芯片、低功耗的22nm FFL基础硅片，首次展示的参考设计示例中，就集成了CPU处理器、GPU核心显卡、内存控制器、图像处理单元、显示引擎，以及各种各样的I/O输入输出、调试和控制模块。

　　作为混合x86架构产品，它拥有一个10nm工艺的高性能Sunny Cove CPU核心(Ice Lake处理器就用它)，以及四个10nm工艺的低功耗Atom CPU核心，二者既有自己的独立缓存，也共享末级缓存，同时核芯显卡也和Ice Lake一样进化到第11代，不但有多达64个执行单元，功耗也控制得非常低。

　　除了规格设计上的先进，更让人激动和期待的是它的超小体积和超低功耗。

　　这颗小芯片的长宽尺寸只有12×12毫米，高度仅仅1毫米，还没一枚硬币大，但内部3D堆叠封装了多个模块。

　　基底之上是P1222 22FFL(22nm工一种)工艺的IO芯片，低成本、低漏电。

　　之上是P1274 10nm工艺计算芯片，也就是传统CPU，内部整合了一个Sunny Core高性能核心、四个Atom低功耗核心(或许是Tremont新架构)。

　　再往上甚至还有PoP整合封装的内存芯片。

　　Intel宣称，它的待机功耗只有区区2mW，也就是0.002W，最高功耗也不超过7W，很显然是针对移动平台的，而且不需要风扇，可用于11寸以下便携式小型设备。

　　芯片设计从2D平铺转向3D堆叠，这就为设备和系统结合使用高性能、高密度和低功耗芯片制程技术奠定了坚实的基础，也为半导体行业的发展和突破打开了一扇新的大门，有了更多的新思路可以探索。

　　Foveros 3D封装技术的提出，充分说明Intel已经找准了未来芯片设计的新方向，不再拘泥于传统框架，可以更加灵活地设计性能更强、功能更丰富、功耗更低、用途更灵活的不同产品，满足差异化设备和市场需求。