先進(jìn)封裝及SiP技術(shù)助力人工智能芯片
[導(dǎo)讀]導(dǎo)讀：在這篇文章中，我們可以了解到七個(gè)概念：InFO，CoWoS，HBM，HMC，Wide-IO，SiP，AI，以及它們之間的相互關(guān)聯(lián)。?先進(jìn)封裝技術(shù)?InFO（IntegratedFan-Out）CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）HBM（High...
導(dǎo)讀：在這篇文章中，我們可以了解到七個(gè)概念：InFO，CoWoS，HBM，HMC，Wide-IO，SiP，AI，以及它們之間的相互關(guān)聯(lián)。
? 先 進(jìn) 封 裝 技 術(shù) ?
?人 工 智 能 ?
??InFO（Integrated Fan Out）
首先，我們來了解一下InFO（Integrated Fan-Out），集成扇出型封裝，說到InFO，我們先要了解一下FOWLP。晶圓級(jí)封裝WLP（Wafer Level Package）主要分為Fan-In和Fan-Out兩種。傳統(tǒng)的WLP封裝多采用Fan-In型態(tài)，應(yīng)用于低接腳（Pin）數(shù)的 IC。當(dāng)芯片面積縮小的同時(shí)，芯片面積內(nèi)可容納的引腳數(shù)減少，因此變化衍生出Fan-Out WLP 封裝形態(tài)，實(shí)現(xiàn)在芯片面積范圍外充分利用RDL做連接，以此獲取更多的引腳數(shù)。FOWLP（Fan-Out Wafer Level Package）中文全稱為扇出型晶圓級(jí)封裝，和Fan-In對(duì)應(yīng)，采取在 Die Pad上直接向外拉線出來的方式，成本相對(duì)便宜；另外，封裝尺寸比較小，比較薄都是其優(yōu)勢(shì)。但在大尺寸封裝中（例如超過 30mm *30mm），蠕變疲勞和焊接縫的問題比較明顯。FOWLP可以讓多種不同裸芯片，做成像WLP制程一樣埋進(jìn)去，等于減一層封裝，如果放置多層裸芯片，等于省了多層封裝，有助于降低封裝成本。下圖為FOWLP工藝流程簡(jiǎn)圖。FOWLP由于無需使用載板材料，因此可節(jié)省近30%封裝成本，且封裝厚度也更加輕薄，有助于提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。InFO（Integrated Fan-Out）是臺(tái)積電首先開發(fā)出來的先進(jìn)封裝技術(shù)，是在FOWLP工藝上的集成，可以理解為多個(gè)芯片F(xiàn)an-Out工藝的集成，而FOWLP則偏重于Fan-Out封裝工藝本身。
InFO給予了多個(gè)芯片集成封裝的空間，可用于射頻和無線芯片的封裝，應(yīng)用處理器和基帶芯片封裝，圖形處理器和網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用的芯片封裝。早年，蘋果 iPhone 處理器一直是三星來生產(chǎn)。 但臺(tái)積電卻從?蘋果A11 開始，接連獨(dú)拿兩代 iPhone 處理器訂單，關(guān)鍵之一，就在于臺(tái)積電全新封裝技術(shù) InFO，能讓芯片與芯片之間直接鏈接，減少厚度，騰出寶貴的空間給電池或其它零件使用。
蘋果從 iPhone 7 就開始InFO封裝，現(xiàn)在繼續(xù)在用，iPhone 8、iPhone X，?包括以后其它品牌的手機(jī)也會(huì)開始普遍使用這個(gè)技術(shù)。蘋果和臺(tái)積電的加入改變了Fan-Out技術(shù)的應(yīng)用狀況，將使市場(chǎng)開始逐漸接受并普遍應(yīng)用Fan-Out封裝（InFO）技術(shù)。
?CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）和InFO（Integrated Fan-Out）均是臺(tái)積電推出的 2.5D封裝技術(shù)，都可稱為晶圓級(jí)封裝。CoWoS是把芯片封裝到硅轉(zhuǎn)接板上，并使用硅轉(zhuǎn)接板上的高密度走線進(jìn)行互聯(lián)，然后再安裝在基板上。CoWoS封裝有硅轉(zhuǎn)接板Silicon Interposer，而InFO則沒有。CoWoS針對(duì)高端市場(chǎng)，連線數(shù)量和封裝尺寸都比較大。InFO針對(duì)性價(jià)比市場(chǎng)，封裝尺寸較小，連線數(shù)量也比較少。下圖為InFO和CoWoS技術(shù)的比較。
?HBM（High-Bandwidth Memory）HBM（High-Bandwidth Memory ）高帶寬內(nèi)存，主要針對(duì)顯卡市場(chǎng)。HBM使用3DIC技術(shù)（主要是TSV技術(shù)）把多塊內(nèi)存芯片堆疊在一起，并使用2.5D技術(shù)把堆疊內(nèi)存芯片和GPU在載板上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。AMD，NVIDIA和海力士主推的HBM標(biāo)準(zhǔn)，AMD首先在其旗艦顯卡首先使用HBM標(biāo)準(zhǔn)，顯存帶寬可達(dá)512 GBps，Nvidia也緊追其后，使用HBM標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)1TBps的顯存帶寬。
?HMC（Hybrid Memory Cube）HMC（Hybrid Memory Cube）標(biāo)準(zhǔn)由美光主推，目標(biāo)市場(chǎng)是高端服務(wù)器市場(chǎng)，尤其是針對(duì)多處理器架構(gòu)。HMC使用堆疊的DRAM芯片實(shí)現(xiàn)更大的內(nèi)存帶寬。另外HMC通過3DIC異質(zhì)集成技術(shù)把內(nèi)存控制器（memory controller）集成到DRAM堆疊封裝里。以往內(nèi)存控制器都做在處理器里，所以在高端服務(wù)器里，當(dāng)需要使用大量?jī)?nèi)存模塊時(shí)，內(nèi)存控制器的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。現(xiàn)在把內(nèi)存控制器集成到內(nèi)存模塊內(nèi)，則內(nèi)存控制器的設(shè)計(jì)就大大地簡(jiǎn)化了。此外，HMC使用高速串行接口（SerDes）來實(shí)現(xiàn)高速接口，適合處理器和內(nèi)存距離較遠(yuǎn)的情況。
?Wide-IO?Wide-IO技術(shù)由三星主推，目前已經(jīng)到了第二代，可以實(shí)現(xiàn)最多512bit的內(nèi)存接口位寬，內(nèi)存接口操作頻率最高可達(dá)1GHz，總的內(nèi)存帶寬可達(dá)68GBps，是最先進(jìn)的DDR4接口帶寬（34GBps）的兩倍。Wide-IO在內(nèi)存接口操作頻率并不高，其主要目標(biāo)市場(chǎng)是要求低功耗的移動(dòng)設(shè)備。
?SiP（System in Package）?SiP（System In a Package）系統(tǒng)級(jí)封裝，是將多種功能的芯片，包括處理器、存儲(chǔ)器等功能芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本完整的功能。SiP將多個(gè)具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如MEMS或者光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實(shí)現(xiàn)一定功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝，從而形成一個(gè)系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。先進(jìn)封裝技術(shù)有兩大發(fā)展方向，一種是晶圓級(jí)芯片封裝(WLP），在更小的封裝面積下容納更多的引腳數(shù)；一種是系統(tǒng)級(jí)芯片封裝（SiP），該封裝整合多種功能芯片于一體，可壓縮模塊體積，提升芯片系統(tǒng)整體功能性、性能和靈活性。
廣義來講，SiP屬于先進(jìn)封裝。但通常來說，先進(jìn)封裝更強(qiáng)調(diào)工藝實(shí)現(xiàn)，InFO，CoWoS，HBM，HMC，Wide-IO都屬于先進(jìn)封裝技術(shù)，而SiP則更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，只要是在一個(gè)封裝中封裝了多顆芯片并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能，則可稱之為SiP。所以，SiP的含義更為廣泛一些。
?AI（Artificial Intelligence）人工智能（Artificial Intelligence），英文縮寫為AI。是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用的一門科學(xué)技術(shù)。其研究領(lǐng)域包括機(jī)器人、語言識(shí)別、圖像識(shí)別、語言處理和專家系統(tǒng)等。
人工智能從誕生以來，理論和技術(shù)日益成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，可以設(shè)想，未來人工智能帶來的科技產(chǎn)品，將會(huì)是人類智慧的“容器”。人工智能是對(duì)人的意識(shí)、思維的信息過程的模擬。人工智能雖然不是人的智能，但能像人那樣進(jìn)行“思考”。未來，人工智能也可能超過人的智能。目前，包括手機(jī)在內(nèi)的很多電子產(chǎn)品都搭載了人工智能芯片，為用戶帶來了豐富的AI體驗(yàn)。現(xiàn)在無論是旗艦機(jī)還是中高端手機(jī)產(chǎn)品，人工智能都成為了產(chǎn)品的重要賣點(diǎn)。在人工智能芯片中，運(yùn)算能力和信息傳輸速率成為關(guān)鍵技術(shù)，高性能計(jì)算（HPC）將成為AI（人工智能）芯片工藝技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵平臺(tái)，而包括CoWoS等在內(nèi)的先進(jìn)封裝和SiP技術(shù)將成為AI芯片的關(guān)鍵封裝技術(shù)。通常，AI架構(gòu)包括上游云計(jì)算，中游邊緣計(jì)算和下游設(shè)備。通過升級(jí)IC微縮技術(shù)，改變前端的晶體管結(jié)構(gòu)，并在后端加入先進(jìn)封裝技術(shù)，可以提升AI芯片的性能。此外，物聯(lián)網(wǎng)也在人工智能的發(fā)展中起著重要的作用。由于AI芯片要求的高性能，物聯(lián)網(wǎng)芯片要求低功耗，小型化、低成本，SiP具備的小型化、低功耗、高性能、低成本等特點(diǎn)，必將成為適用于AI芯片和物聯(lián)網(wǎng)芯片應(yīng)用的主要封裝技術(shù)。總的來說，AI技術(shù)將會(huì)在軟件、芯片、先進(jìn)封裝及SiP技術(shù)的合力助推下，迎接人工智能時(shí)代的到來，讓我們拭目以待。
? 先 進(jìn) 封 裝 技 術(shù) ?
- 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，我們來了解一下InFO（Integrated Fan-Out），集成扇出型封裝，說到InFO，我們先要了解一下FOWLP。晶圓級(jí)封裝WLP（Wafer Level Package）主要分為Fan-In和Fan-Out兩種。傳統(tǒng)的WLP封裝多采用Fan-In型態(tài)，應(yīng)用于低接腳（Pin）數(shù)的 IC。當(dāng)芯片面積縮小的同時(shí)，芯片面積內(nèi)可容納的引腳數(shù)減少，因此變化衍生出Fan-Out WLP 封裝形態(tài)，實(shí)現(xiàn)在芯片面積范圍外充分利用RDL做連接，以此獲取更多的引腳數(shù)。FOWLP（Fan-Out Wafer Level Package）中文全稱為扇出型晶圓級(jí)封裝，和Fan-In對(duì)應(yīng)，采取在 Die Pad上直接向外拉線出來的方式，成本相對(duì)便宜；另外，封裝尺寸比較小，比較薄都是其優(yōu)勢(shì)。但在大尺寸封裝中（例如超過 30mm *30mm），蠕變疲勞和焊接縫的問題比較明顯。FOWLP可以讓多種不同裸芯片，做成像WLP制程一樣埋進(jìn)去，等于減一層封裝，如果放置多層裸芯片，等于省了多層封裝，有助于降低封裝成本。下圖為FOWLP工藝流程簡(jiǎn)圖。FOWLP由于無需使用載板材料，因此可節(jié)省近30%封裝成本，且封裝厚度也更加輕薄，有助于提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。InFO（Integrated Fan-Out）是臺(tái)積電首先開發(fā)出來的先進(jìn)封裝技術(shù)，是在FOWLP工藝上的集成，可以理解為多個(gè)芯片F(xiàn)an-Out工藝的集成，而FOWLP則偏重于Fan-Out封裝工藝本身。
InFO給予了多個(gè)芯片集成封裝的空間，可用于射頻和無線芯片的封裝，應(yīng)用處理器和基帶芯片封裝，圖形處理器和網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用的芯片封裝。早年，蘋果 iPhone 處理器一直是三星來生產(chǎn)。 但臺(tái)積電卻從?蘋果A11 開始，接連獨(dú)拿兩代 iPhone 處理器訂單，關(guān)鍵之一，就在于臺(tái)積電全新封裝技術(shù) InFO，能讓芯片與芯片之間直接鏈接，減少厚度，騰出寶貴的空間給電池或其它零件使用。
蘋果從 iPhone 7 就開始InFO封裝，現(xiàn)在繼續(xù)在用，iPhone 8、iPhone X，?包括以后其它品牌的手機(jī)也會(huì)開始普遍使用這個(gè)技術(shù)。蘋果和臺(tái)積電的加入改變了Fan-Out技術(shù)的應(yīng)用狀況，將使市場(chǎng)開始逐漸接受并普遍應(yīng)用Fan-Out封裝（InFO）技術(shù)。
?CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）和InFO（Integrated Fan-Out）均是臺(tái)積電推出的 2.5D封裝技術(shù)，都可稱為晶圓級(jí)封裝。CoWoS是把芯片封裝到硅轉(zhuǎn)接板上，并使用硅轉(zhuǎn)接板上的高密度走線進(jìn)行互聯(lián)，然后再安裝在基板上。CoWoS封裝有硅轉(zhuǎn)接板Silicon Interposer，而InFO則沒有。CoWoS針對(duì)高端市場(chǎng)，連線數(shù)量和封裝尺寸都比較大。InFO針對(duì)性價(jià)比市場(chǎng)，封裝尺寸較小，連線數(shù)量也比較少。下圖為InFO和CoWoS技術(shù)的比較。
?HBM（High-Bandwidth Memory）HBM（High-Bandwidth Memory ）高帶寬內(nèi)存，主要針對(duì)顯卡市場(chǎng)。HBM使用3DIC技術(shù)（主要是TSV技術(shù)）把多塊內(nèi)存芯片堆疊在一起，并使用2.5D技術(shù)把堆疊內(nèi)存芯片和GPU在載板上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。AMD，NVIDIA和海力士主推的HBM標(biāo)準(zhǔn)，AMD首先在其旗艦顯卡首先使用HBM標(biāo)準(zhǔn)，顯存帶寬可達(dá)512 GBps，Nvidia也緊追其后，使用HBM標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)1TBps的顯存帶寬。
?HMC（Hybrid Memory Cube）HMC（Hybrid Memory Cube）標(biāo)準(zhǔn)由美光主推，目標(biāo)市場(chǎng)是高端服務(wù)器市場(chǎng)，尤其是針對(duì)多處理器架構(gòu)。HMC使用堆疊的DRAM芯片實(shí)現(xiàn)更大的內(nèi)存帶寬。另外HMC通過3DIC異質(zhì)集成技術(shù)把內(nèi)存控制器（memory controller）集成到DRAM堆疊封裝里。以往內(nèi)存控制器都做在處理器里，所以在高端服務(wù)器里，當(dāng)需要使用大量?jī)?nèi)存模塊時(shí)，內(nèi)存控制器的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。現(xiàn)在把內(nèi)存控制器集成到內(nèi)存模塊內(nèi)，則內(nèi)存控制器的設(shè)計(jì)就大大地簡(jiǎn)化了。此外，HMC使用高速串行接口（SerDes）來實(shí)現(xiàn)高速接口，適合處理器和內(nèi)存距離較遠(yuǎn)的情況。
?Wide-IO?Wide-IO技術(shù)由三星主推，目前已經(jīng)到了第二代，可以實(shí)現(xiàn)最多512bit的內(nèi)存接口位寬，內(nèi)存接口操作頻率最高可達(dá)1GHz，總的內(nèi)存帶寬可達(dá)68GBps，是最先進(jìn)的DDR4接口帶寬（34GBps）的兩倍。Wide-IO在內(nèi)存接口操作頻率并不高，其主要目標(biāo)市場(chǎng)是要求低功耗的移動(dòng)設(shè)備。
?SiP（System in Package）?SiP（System In a Package）系統(tǒng)級(jí)封裝，是將多種功能的芯片，包括處理器、存儲(chǔ)器等功能芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本完整的功能。SiP將多個(gè)具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如MEMS或者光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實(shí)現(xiàn)一定功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝，從而形成一個(gè)系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。先進(jìn)封裝技術(shù)有兩大發(fā)展方向，一種是晶圓級(jí)芯片封裝(WLP），在更小的封裝面積下容納更多的引腳數(shù)；一種是系統(tǒng)級(jí)芯片封裝（SiP），該封裝整合多種功能芯片于一體，可壓縮模塊體積，提升芯片系統(tǒng)整體功能性、性能和靈活性。
廣義來講，SiP屬于先進(jìn)封裝。但通常來說，先進(jìn)封裝更強(qiáng)調(diào)工藝實(shí)現(xiàn)，InFO，CoWoS，HBM，HMC，Wide-IO都屬于先進(jìn)封裝技術(shù)，而SiP則更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，只要是在一個(gè)封裝中封裝了多顆芯片并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能，則可稱之為SiP。所以，SiP的含義更為廣泛一些。
?AI（Artificial Intelligence）人工智能（Artificial Intelligence），英文縮寫為AI。是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用的一門科學(xué)技術(shù)。其研究領(lǐng)域包括機(jī)器人、語言識(shí)別、圖像識(shí)別、語言處理和專家系統(tǒng)等。
人工智能從誕生以來，理論和技術(shù)日益成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，可以設(shè)想，未來人工智能帶來的科技產(chǎn)品，將會(huì)是人類智慧的“容器”。人工智能是對(duì)人的意識(shí)、思維的信息過程的模擬。人工智能雖然不是人的智能，但能像人那樣進(jìn)行“思考”。未來，人工智能也可能超過人的智能。目前，包括手機(jī)在內(nèi)的很多電子產(chǎn)品都搭載了人工智能芯片，為用戶帶來了豐富的AI體驗(yàn)。現(xiàn)在無論是旗艦機(jī)還是中高端手機(jī)產(chǎn)品，人工智能都成為了產(chǎn)品的重要賣點(diǎn)。在人工智能芯片中，運(yùn)算能力和信息傳輸速率成為關(guān)鍵技術(shù)，高性能計(jì)算（HPC）將成為AI（人工智能）芯片工藝技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵平臺(tái)，而包括CoWoS等在內(nèi)的先進(jìn)封裝和SiP技術(shù)將成為AI芯片的關(guān)鍵封裝技術(shù)。通常，AI架構(gòu)包括上游云計(jì)算，中游邊緣計(jì)算和下游設(shè)備。通過升級(jí)IC微縮技術(shù)，改變前端的晶體管結(jié)構(gòu)，并在后端加入先進(jìn)封裝技術(shù)，可以提升AI芯片的性能。此外，物聯(lián)網(wǎng)也在人工智能的發(fā)展中起著重要的作用。由于AI芯片要求的高性能，物聯(lián)網(wǎng)芯片要求低功耗，小型化、低成本，SiP具備的小型化、低功耗、高性能、低成本等特點(diǎn)，必將成為適用于AI芯片和物聯(lián)網(wǎng)芯片應(yīng)用的主要封裝技術(shù)。總的來說，AI技術(shù)將會(huì)在軟件、芯片、先進(jìn)封裝及SiP技術(shù)的合力助推下，迎接人工智能時(shí)代的到來，讓我們拭目以待。
下載文檔
