上周四，韓國半導(dǎo)體巨頭三星宣布，其下一代 2.5D 封裝技術(shù) I-Cube4 即將上市，該技術(shù)提升了邏輯器件和內(nèi)存之間的通信效率，集成 1 顆邏輯芯片和 4 顆高帶寬內(nèi)存（HBM）。
另外，該技術(shù)還在保持性能的前提下，將中介層（Interposer）做得比紙還薄，厚度僅有 100μm，節(jié)省了芯片空間。
加拿大電氣工程技術(shù)專家阿德里安?吉本斯（Adrian Gibbons）對 I-Cube4 作了較為詳細(xì)的解讀。
一、高性能計(jì)算需求不斷提升，封裝設(shè)計(jì)難度提高
在過去的幾年中，高性能計(jì)算（HPC）領(lǐng)域的需求一直在穩(wěn)定增長，ML（機(jī)器學(xué)習(xí)）在 5G 邊緣的應(yīng)用更是加大了這一需求。
過去的幾年，在 3D NAND 等器件中，2.5D 和 3D 芯片堆疊正在逐步取代傳統(tǒng) IC 封裝設(shè)計(jì)。
據(jù)阿德里安介紹，相比傳統(tǒng)的封裝技術(shù)，2.5D 封裝技術(shù)具備三項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢，分別是較低的芯片空間（footprint efficiency）、優(yōu)秀的熱管理和更快的運(yùn)行速度。
當(dāng)下，在超算、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，CPU、GPU 的內(nèi)核數(shù)量不斷增加，熱管理的難度也在不斷提升。
三星的新型 I-Cube4 封裝技術(shù)包含 4 個 HBM 和 1 個邏輯芯片，通過異構(gòu)集成，提升了邏輯和內(nèi)存之間的訪問速度與電源效率，并能夠應(yīng)用于高性能計(jì)算、AI、5G、云等多種應(yīng)用。
▲ 中介層可堆疊實(shí)現(xiàn)高帶寬內(nèi)存接口（來源：Bo Pu）
二、三星控制中介層厚度，降低互連
中介層是多個芯片模塊或電路板傳遞電信號的管道，也是插口或接頭之間的電信號接口。
一般來說，隨著芯片復(fù)雜度的提升，硅底中介層也會越來越厚，但 I-Cube4 的中介層厚度僅有 100μm，提升了產(chǎn)品性能。
據(jù)阿德里安介紹，I-Cube4 的 2.5D 封裝技術(shù)降低了空間占用和功率損耗，也使互連較小，加強(qiáng)了產(chǎn)品的熱管理。
另外，HBM 信道中的電信號完整性也是一個關(guān)鍵參數(shù)。通過將基準(zhǔn)眼圖掩模應(yīng)用到電信號的眼圖（Eye masks）上，可確定實(shí)際電路的傳輸質(zhì)量，是評估信號完整度的最佳方式之一。
所以三星的研究人員采用該方法比較了兩種不同的圖層拓?fù)洌╨ayer topologies），以評估最佳性能，還將兩種不同結(jié)構(gòu)下的走線（trace）寬度和各走線之間的距離進(jìn)行了比較。
▲ 眼圖的 6 毫米走線（左）和 9 毫米走線（右）（來源：Bo Pu）
通過研究，三星研究人員發(fā)現(xiàn)，兩種結(jié)構(gòu)在 3μm 處的性能相似，是其走線之間最小距離的 3 倍，遵循被稱為 3W 的布線原則。這是因?yàn)樵?PCB 設(shè)計(jì)中，走線之間會產(chǎn)生干擾，應(yīng)保證線間距足夠大。當(dāng)線中心間距不少于 3 倍線寬時，則可保持 70% 的電場不互相干擾，這種布線規(guī)則稱為 3W 原則。
最后，三星還針對 I-Cube4 開發(fā)了無模具架構(gòu)（mold-free structure），通過預(yù)篩選測試，在制造過程中找出缺陷產(chǎn)品，從而有效地提升成品率。另外，這也減少了封裝步驟，節(jié)省了成本并縮短了周轉(zhuǎn)時間。
三、寄生參數(shù)或影響其產(chǎn)品性能
不過阿德里安提到，I-Cube4 為了獲得高計(jì)算性能，需要 HBM 盡可能地接近邏輯芯片，這也造成了寄生參數(shù)（parasitic parameter）的出現(xiàn)。
雖然寄生參數(shù)一般出現(xiàn)在 PCB 板的設(shè)計(jì)中，主要產(chǎn)生的原因是電路板和器件自身引入的電阻、電容、電感等互相干擾，但這一問題也會出現(xiàn)在晶圓層面上。這些寄生參數(shù)會影響產(chǎn)品的性能，使其無法達(dá)到設(shè)計(jì)數(shù)值。
此外，過薄的中介層也容易出現(xiàn)彎曲或翹起等現(xiàn)象。據(jù)三星官網(wǎng)介紹，三星的研究人員通過選擇合適的中介層材料與厚度，解決了這一問題。
三星代工部門市場戰(zhàn)略高級副總裁 Moonsoo Kang 認(rèn)為，I-Cube4 的開發(fā)對三星的客戶至關(guān)重要。他說：“隨著高性能計(jì)算的爆炸式增長，提供一種具有異構(gòu)集成技術(shù)的整體封裝解決方案至關(guān)重要，I-Cube4 提高了芯片的整體性能和電源效率?！?/p>
▲ I-Cube4 封裝結(jié)構(gòu)渲染圖（來源：三星）
結(jié)語：I-Cube4 或提高其晶圓代工實(shí)力
封裝技術(shù)作為芯片制造的最后一道工序，既可以防止空氣中的雜質(zhì)腐蝕芯片電路，也是芯片與外部電路的橋梁，直接影響著芯片散熱等性能。
一方面，存儲帶寬較低，存儲與邏輯芯片之間存在一堵“內(nèi)存墻”；另一方面，高性能處理器的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，生產(chǎn)效率較低。
為了解決這些問題，臺積電、英特爾、三星等芯片巨頭都在加速對封裝技術(shù)的部署，三星本次推出的 I-Cube4 意味著其封裝技術(shù)的再一次進(jìn)步，可以提升三星代工業(yè)務(wù)的芯片良品率、降低封裝成本，或?qū)恼w上提升其晶圓代工業(yè)務(wù)的競爭力。
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