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  • 把芯片当成乐高?英特尔新思维背后的技术进步

    来源:www.honkerbase.com 发布时间:2020-02-06

    在刚刚在旧金山结束的半导体技术会议Semicon West上,英特尔发布了Co-EMIB、ODI和MDIO封装、互连和接口技术,以解决不同规格芯片(芯片)的横向和纵向尺寸。与电气问题有关。这些互连和电气问题是限制芯片自由堆叠的关键因素。

    为什么要堆叠芯片?

    要建造一台标准的计算机,除了传统的cpu外,主板还必须安装内存、芯片组、各种i/o芯片等。一种实现标准计算机功能的电路板,除了上述各种类型的芯片外,还需要很大的空间来提供电源、滤波和互连布线。因此,为了实现完整的计算机功能,pcb板还需要一定的体积。随着计算机性能的提高和可扩展性的增加,这个卷通常会增加。

    虽然这种情况对于传统的台式机、数据中心和其他应用场景是无害的,但是对于许多新兴的物联网和边缘计算场景来说,容量限制确实是致命的。在现实生活中,这些问题常常困扰着我们。

    比如,我们一直抱怨的手机电池问题,主要是因为主板太大,电池剩余空间太小;智能手镯和手表的电池问题也是一样的。而那些怪诞的智能设备就是为了这个目的而设计的,他们中的大多数人都试图为安装电路板和电池腾出空间。

    过去,解决这个问题的想法是除了半导体工艺技术之外还在同一芯片中添加更多功能,形成所谓的SoC(片上系统)。然而,在实践该想法的过程中,随着芯片功能的增加和体积的增加,芯片设计,测试和制造的难度在几何上增加。这也将严重降低新产品发布的速度,同时增加产品成本。为了解决该行业中这一长期存在的问题,已经提出了芯片的3D堆叠的概念。

    芯片,不仅“堆叠”而且“堆叠”

    乐高积木不仅是许多孩子的玩具,也是许多大孩子的休闲爱好。它最大的吸引力在于通过小方块的水平和垂直划分来构建一切。正如上帝建造了一个只有少数基本粒子的多彩宇宙;在水平和垂直堆叠中,它只会限制我们的想象力。

    在2018年12月,英特尔首次展示了3D堆叠封装的逻辑芯片(也称为计算芯片)--Foveros。通过在水平放置的芯片上放置更小,更简单的芯片,整个解决方案具有更完整的功能。

    例如,我们可以在CPU上堆叠各种小型IO控制芯片,以创建具有计算和IO功能的产品。或者,我们可以简单地使用各种Type-C,蓝牙,WiFi等芯片组(南桥)。控制芯片堆叠在一起,形成一个超高度集成的控制芯片。

    当然,除了功能改进之外,Foveros技术最令人着迷的方面是它可以消除重新设计,测试和流媒体的漫长过程,直接封装不同品牌,IP和流程的成熟解决方案,从而大大降低成本并改善生产。产品上市速度快。同时,整合度的提高可以进一步减少整体方案的数量,为一切事物和物联网的智能化打开一扇新的大门。

    如果你只是垂直堆叠不同的芯片,那么故事就应该结束了。但英特尔从来就不是一个富有的人。英特尔想要做的是水平和垂直扩展芯片。因此,我们不得不谈论今天的主角 - Co-EMIB,ODI,MDIO。

    芯片堆叠,互连是关键

    实际上,就像PCB上的布线一样,在同一基板上实现水平和垂直方向上的多芯片堆叠的最大挑战是解决芯片的电源和它们之间的数据互连,以及芯片本身。

    在2018年的HotChip会议上,英特尔发布了其芯片EMIB芯片封装技术,当多个芯片水平放置在同一基板上时,该技术可实现比原始MCP多芯片封装技术更高的互连效率。与其他公司的2.5D封装相比,EMIB集成了需要添加的互连层,以使水平放置的芯片能够在同一物理层中提供电源和互连。

    在此SEMICON West大会上,英特尔发布了EMIB,Co-EMIB技术的升级版本,以实现基于EMIB水平互连的Foveros 3D堆叠芯片之间的水平互连(当然,仍然在同一基板上,实现不同的数据交换)芯片堆栈。

    为了进一步提高水平和垂直堆叠的灵活性,英特尔还推出了额外的物理互连层技术--ODI。他存在于基板和芯片之间,英特尔可以通过比传统封装技术更大的密度嵌入和布线引脚。从而在确保芯片供电的同时实现更高的互连带宽。有两种类型的ODI技术,它们对应于单芯片和多芯片的互连。

    此外,英特尔还发布了新的MDIO技术。简而言之,MDIO是一种更好的芯片到芯片接口(引脚)技术。与英特尔使用的AIB(高级接口总线)技术相比,MDIO能够在更小的连接区域内实现更高的数据带宽。这样,即使在ODI技术中使用更薄的引脚也可以满足芯片之间的数据带宽要求。

    通过影响芯片堆栈细节的全面技术创新,例如连接方法,连接层和连接引脚,英特尔终于实现了在单个基板上水平和垂直封装更多芯片(芯片)的愿景。

    就像乐高积木一样,我们可以通过在打开障碍物后在水平和垂直方向上堆叠不同的筹码来实现更大的梦想。现在,也许限制我们只是想象力。

    英特尔的新未来

    英特尔围绕半导体技术和相关应用的能力构建了六个支持其“以数据为中心”战略的技术支柱。为了应对数据量的爆炸性增长,数据的多样化以及处理方法的多样性,提出了流程和包,架构,存储和存储,互连,安全和软件的六个技术支柱。包装技术无疑是这六大技术支柱的重要组成部分。

    在10nm工艺完全平衡的时刻,如果英特尔能够打破封装技术中的横向和纵向限制,那么等待英特尔和我们将是一个全新的世界。

    解决一个小问题并不困难,但解决结合无数小问题的大问题非常复杂。该原理同样适用于半导体工业。设计单功能芯片相对简单,但是将各种功能集合在一起以满足性能,功耗等方面将是一个非常大的项目。

    通过简单地堆叠现有成熟的解决方案,我们能够创建更完整的单封装芯片,通过一组功率和IO设计完善整个系统,使解决方案更小,更简单,更高效。实现这一目标所需的时间和成本将会降低。这就是英特尔3D封装技术的含义。这对所有行业和整个社会来说都是一个巨大的机遇。

    至于英特尔,堆叠这种新的半导体设计和生产方法也有望将行业内的竞争推向一个新的层面,这个维度再次关注英特尔技术。

    当芯片成为乐高积木时,基于计算,以数据为中心,多元化的计算未来不再遥远。

    后记:

    除数据中心外,计算设备的尺寸,功耗和功能是万物互联网时代的主要挑战之一。在数据中心,大量不同类型的数据也使计算架构再次面临两难境地。 (代表性现象是异构计算在训练和推理领域的兴起);这种分裂将对数据中心的管理和运营构成巨大挑战。半导体晶圆堆叠技术的出现使英特尔从战略角度看待机遇。

    通过封装不同功能和不同IP的芯片,数据中心有望大大简化未来的架构,并严格限制芯片内部的计算类型,从而实现更大程度的统一。这完美地解决了计算架构划分带来的管理,运营和维护挑战。

    当然,另一方面,物理地计算与各种功能芯片的近距离也将有助于实现更高的整体性能,从而减轻由暴涨的数据量引起的处理压力,从而允许现有的计算机体系结构。数据中心结构可以在更长的时间内满足实际需求。

    虽然英特尔在SEMICON West发布的技术尚未完全推广,但英特尔已在Agilex FPGA上采用EMIB技术,以实现更高的集成度和更好的整体性能(112 Gb/s数据吞吐量)。目前的行业是首屈一指的。这也证明了该技术在当前技术条件下的应用前景。

    因此,它仍然是一句老话:半导体晶圆的3D堆栈是一个大型游戏,它是一项需要持续投资的马拉松。

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