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先进封装及SiP技术助力人工智能芯片

导读:在这篇文章中,我们可以了解到七个概念:InFO,CoWoS,HBM,HMC,Wide-IO,SiP封装,AI,以及它们之间的相互关联。

  先 进 封 装 技 术  

  • InFO(Integrated Fan-Out)
  • CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate)
  • HBM(High-Bandwidth Memory)
  • HMC(Hybrid Memory Cube)
  • Wide-IO(Wide Input Output)
  • SiP(System in Package)

 人 工 智 能  

  • AI(Artificial intelligence)人工智能

 InFO(Integrated Fan Out)

首先,我们来了解一下InFO(Integrated Fan-Out),集成扇出型封装,说到InFO,我们先要了解一下FOWLP。

晶圆级封装WLP(Wafer Level Package)主要分为Fan-In和Fan-Out两种。传统的WLP封装多采用Fan-In型态,应用于低接脚(Pin)数的 IC。当芯片面积缩小的同时,芯片面积内可容纳的引脚数减少,因此变化衍生出Fan-Out WLP 封装形态,实现在芯片面积范围外充分利用RDL做连接,以此获取更多的引脚数。

FOWLP(Fan-Out Wafer Level Package)中文全称为扇出型晶圆级封装,和Fan-In对应,采取在 Die Pad上直接向外拉线出来的方式,成本相对便宜;另外,封装尺寸比较小,比较薄都是其优势。但在大尺寸封装中(例如超过 30mm *30mm),蠕变疲劳和焊接缝的问题比较明显。FOWLP可以让多种不同裸芯片,做成像WLP制程一样埋进去,等于减一层封装,如果放置多层裸芯片,等于省了多层封装,有助于降低封装成本。下图为FOWLP工艺流程简图。

FOWLP由于无需使用载板材料,因此可节省近30%封装成本,且封装厚度也更加轻薄,有助于提升产品竞争力。

InFO(Integrated Fan-Out)是台积电首先开发出来的先进封装技术,是在FOWLP工艺上的集成,可以理解为多个芯片Fan-Out工艺的集成,而FOWLP则偏重于Fan-Out封装工艺本身。

InFO给予了多个芯片集成封装的空间,可用于射频和无线芯片的封装,应用处理器和基带芯片封装,图形处理器和网络等应用的芯片封装。

早年,苹果 iPhone 处理器一直是三星来生产。 但台积电却从 苹果A11 开始,接连独拿两代 iPhone 处理器订单,关键之一,就在于台积电全新封装技术 InFO,能让芯片与芯片之间直接链接,减少厚度,腾出宝贵的空间给电池或其它零件使用。

苹果从 iPhone 7 就开始InFO封装,现在继续在用,iPhone 8、iPhone X, 包括以后其它品牌的手机也会开始普遍使用这个技术。

苹果和台积电的加入改变了Fan-Out技术的应用状况,将使市场开始逐渐接受并普遍应用Fan-Out封装(InFO)技术。

 CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate)

CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate)和InFO(Integrated Fan-Out)均是台积电推出的 2.5D封装技术,都可称为晶圆级封装。CoWoS是把芯片封装到硅转接板上,并使用硅转接板上的高密度走线进行互联,然后再安装在基板上。

CoWoS封装有硅转接板Silicon Interposer,而InFO则没有。CoWoS针对高端市场,连线数量和封装尺寸都比较大。InFO针对性价比市场,封装尺寸较小,连线数量也比较少。

下图为InFO和CoWoS技术的比较。

 HBM(High-Bandwidth Memory)

HBM(High-Bandwidth Memory )高带宽内存,主要针对显卡市场。HBM使用3DIC技术(主要是TSV技术)把多块内存芯片堆叠在一起,并使用2.5D技术把堆叠内存芯片和GPU在载板上实现互联。

AMD,NVIDIA和海力士主推的HBM标准,AMD首先在其旗舰显卡首先使用HBM标准,显存带宽可达512 GBps,Nvidia也紧追其后,使用HBM标准实现1TBps的显存带宽。

 HMC(Hybrid Memory Cube)

HMC(Hybrid Memory Cube)标准由美光主推,目标市场是高端服务器市场,尤其是针对多处理器架构。HMC使用堆叠的DRAM芯片实现更大的内存带宽。另外HMC通过3DIC异质集成技术把内存控制器(memory controller)集成到DRAM堆叠封装里。

以往内存控制器都做在处理器里,所以在高端服务器里,当需要使用大量内存模块时,内存控制器的设计非常复杂。现在把内存控制器集成到内存模块内,则内存控制器的设计就大大地简化了。此外,HMC使用高速串行接口(SerDes)来实现高速接口,适合处理器和内存距离较远的情况。

 Wide-IO 

Wide-IO技术由三星主推,目前已经到了第二代,可以实现最多512bit的内存接口位宽,内存接口操作频率最高可达1GHz,总的内存带宽可达68GBps,是最先进的DDR4接口带宽(34GBps)的两倍。

Wide-IO在内存接口操作频率并不高,其主要目标市场是要求低功耗的移动设备。

 SiP(System in Package) 

SiP(System In a Package)系统级封装,是将多种功能的芯片,包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能。

SiP将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的单个标准封装,从而形成一个系统或者子系统。

先进封装技术有两大发展方向,一种是晶圆级芯片封装(WLP),在更小的封装面积下容纳更多的引脚数;一种是系统级芯片封装(SiP),该封装整合多种功能芯片于一体,可压缩模块体积,提升芯片系统整体功能性、性能和灵活性。

广义来讲,SiP属于先进封装。但通常来说,先进封装更强调工艺实现,InFO,CoWoS,HBM,HMC,Wide-IO都属于先进封装技术,而SiP则更强调系统实现,只要是在一个封装中封装了多颗芯片并实现了系统的功能,则可称之为SiP。所以,SiP的含义更为广泛一些。

 AI(Artificial Intelligence)

人工智能(Artificial Intelligence),英文缩写为AI。是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用的一门科学技术。其研究领域包括机器人、语言识别、图像识别、语言处理和专家系统等。

人工智能从诞生以来,理论和技术日益成熟,应用领域也不断扩大,可以设想,未来人工智能带来的科技产品,将会是人类智慧的“容器”。人工智能是对人的意识、思维的信息过程的模拟。人工智能虽然不是人的智能,但能像人那样进行“思考”。未来,人工智能也可能超过人的智能。

目前,包括手机在内的很多电子产品都搭载了人工智能芯片,为用户带来了丰富的AI体验。现在无论是旗舰机还是中高端手机产品,人工智能都成为了产品的重要卖点。

在人工智能芯片中,运算能力和信息传输速率成为关键技术,高性能计算(HPC)将成为AI(人工智能)芯片工艺技术发展的关键平台,而包括CoWoS等在内的先进封装和SiP技术将成为AI芯片的关键封装技术。

通常,AI架构包括上游云计算,中游边缘计算和下游设备。通过升级IC微缩技术,改变前端的晶体管结构,并在后端加入先进封装技术,可以提升AI芯片的性能。

此外,物联网也在人工智能的发展中起着重要的作用。由于AI芯片要求的高性能,物联网芯片要求低功耗,小型化、低成本,SiP具备的小型化、低功耗、高性能、低成本等特点,必将成为适用于AI芯片和物联网芯片应用的主要封装技术。

总的来说,AI技术将会在软件、芯片、先进封装及SiP技术的合力助推下,迎接人工智能时代的到来,让我们拭目以待。

· 2019-05-01 09:33  本新闻来源自:SiP系统级封装技术,版权归原创方所有

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