降維打擊！Intel 3D立體封裝深度揭秘：前途無量

半導體行業的技術難度正呈幾何指數般的速度加大，以往很多慣用手段都開始漸漸失靈了。面對越來越難做的晶元，未來該何去何從？

最近，Intel提出了革命性的Foveros 3D立體晶元封裝技術，首次為CPU處理器引入了3D堆疊式設計，堪稱產品創新的催化劑，或將成為CPU處理器歷史上一個重要的轉折點。

它允許在新的設備外形中「混搭」(mix and match) 不同工藝、架構、用途的技術 IP 模塊、各種內存和 I/O 元件，使得產品能夠分解成更小的組合，同時將之前分散、獨立的不同模塊結合為一體，以滿足不同應用、功耗範圍、外形尺寸的設計需求，以更低的成本實現更高的或者更適宜的性能。

其實在此之前，Intel曾經應用過一種2D集成技術「EMIB」(嵌入式多晶元互連橋接)，把不同工藝、功能的IP模塊整合到單一封裝中，相比傳統2D單片設計更有利於提高良品率、提升整體性能、降低成本、加快產品上市速度，典型產品代表就是集成了Intel八代酷睿CPU、AMD Vega GPU圖形核心的Kaby Lake-G系列。

Foveros則進化到了3D集成，延續2D集成各種優勢的同時，加上全新水平的集成密度和靈活性，首次讓邏輯晶元可以堆疊在一起，徹底顛覆並重新構建了系統晶元架構。

套用劉慈欣科幻大作《三體》里的一個流行梗，可以說Intel站在3D的角度上，對傳統2D晶元發動了一場「降維打擊」。

在Intel提供的Foveros 3D堆疊封裝示意圖上，可以清楚地看到這種蓋樓式設計的巧妙之處：

最底部的封裝基板之上，是核心的基礎計算晶元，再往上可以堆疊計算、視覺等各種模塊，高性能邏輯、低功耗邏輯、高密度內存、高速內存、感測器、功率調節器、無線電、光電子等等就看你需要什麼了，無論是Intel IP還是第三方IP都可以和諧共處，客戶完全可以根據需要自由定製。

這是從側視角度展示的Foveros 3D封裝的結構示意圖：最下邊是封裝基底，之上安放一個底層晶元(Bottom Chip)，起到主動中介層(Active Interposer)的作用——AMD Fiji/Vega核心整合封裝HBM顯存就有類似的存在。

中介層之上就可以放置各種不同的新品或模塊，比如CPU、GPU、內存、基帶……

而在中介層里有大量的TSV 3D硅穿孔，負責聯通上下的焊料凸起(Solder Bump)，讓上層晶元和模塊與系統其他部分通信。

當然，如何處理不同模塊之間的高速互連，確保整體性能、功耗等都處於最佳水平，無疑是非常考驗設計能力和技術實力的，TSV硅穿孔、分立式集成電路就是其中的關鍵所在。

Intel表示，不同用途晶元或者功能模塊對晶體管密度的需求是截然不同的，性能、功耗、成本也相差很大，因此所有晶元模塊都使用同一種工藝不會達到最佳效果，尤其是新工藝越來越難，都硬上新工藝不值得，也越來越不容易做到。

Intel還強調，3D封裝不一定會降低成本，但重點也不在於成本，而是如何把最合適的IP放在最合適的位置上，進行混搭，這才是真正的驅動力。

Foveros 3D封裝技術將從2019年下半年開始，陸續出現在一系列產品中，未來也會成為Intel晶元設計的重要根基。

首款產品代號為「Lakefield」，也是全球第一款混合CPU架構產品。Intel同時展示了基於該處理器的小型參考主板，稱其可以靈活地滿足OEM各種創新的設備外形設計。

Lakefield將會結合高性能的10nm運算堆疊小晶元、低功耗的22nm FFL基礎矽片，首次展示的參考設計示例中，就集成了CPU處理器、GPU核心顯卡、內存控制器、圖像處理單元、顯示引擎，以及各種各樣的I/O輸入輸出、調試和控制模塊。

作為混合x86架構產品，它擁有一個10nm工藝的高性能Sunny Cove CPU核心(Ice Lake處理器就用它)，以及四個10nm工藝的低功耗Atom CPU核心，二者既有自己的獨立緩存，也共享末級緩存，同時核芯顯卡也和Ice Lake一樣進化到第11代，不但有多達64個執行單元，功耗也控制得非常低。

除了規格設計上的先進，更讓人激動和期待的是它的超小體積和超低功耗。

這顆小晶元的長寬尺寸只有12×12毫米，高度僅僅1毫米，還沒一枚硬幣大，但內部3D堆疊封裝了多個模塊。

基底之上是P1222 22FFL(22nm工一種)工藝的IO晶元，低成本、低漏電。

之上是P1274 10nm工藝計算晶元，也就是傳統CPU，內部整合了一個Sunny Core高性能核心、四個Atom低功耗核心(或許是Tremont新架構)。

再往上甚至還有PoP整合封裝的內存晶元。

Intel宣稱，它的待機功耗只有區區2mW，也就是0.002W，最高功耗也不超過7W，很顯然是針對移動平台的，而且不需要風扇，可用於11寸以下攜帶型小型設備。

晶元設計從2D平鋪轉向3D堆疊，這就為設備和系統結合使用高性能、高密度和低功耗晶元製程技術奠定了堅實的基礎，也為半導體行業的發展和突破打開了一扇新的大門，有了更多的新思路可以探索。

Foveros 3D封裝技術的提出，充分說明Intel已經找准了未來晶元設計的新方向，不再拘泥於傳統框架，可以更加靈活地設計性能更強、功能更豐富、功耗更低、用途更靈活的不同產品，滿足差異化設備和市場需求。

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