來(lái)源：IEEE Spectrum

編譯：化合物半導(dǎo)體雜志

近日，在一場(chǎng)于圣何塞僅限受邀者參加的活動(dòng)舉行之前的一次獨(dú)家采訪中，英特爾通過(guò)分享其未來(lái)數(shù)據(jù)中心處理器的一覽，概述了它將為其代工客戶提供的新型芯片技術(shù)。這些進(jìn)步包括更密集的邏輯以及內(nèi)部連接性增加16倍的3D堆疊芯片，它們將是該公司與其他公司的芯片架構(gòu)師共享的首批高端技術(shù)之一。

這些新技術(shù)將達(dá)到英特爾長(zhǎng)達(dá)數(shù)年轉(zhuǎn)型的頂峰。這家處理器制造商正在從一家只生產(chǎn)自己芯片的公司轉(zhuǎn)變?yōu)橐患掖S，為其他公司生產(chǎn)芯片，并將自己的產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)視為另一個(gè)客戶。此次圣何塞的IFS Direct Connect活動(dòng)旨在作為新商業(yè)模式的亮相派對(duì)。

英特爾內(nèi)部計(jì)劃在代號(hào)為Clearwater Forest的服務(wù)器CPU中使用這些技術(shù)組合。該公司認(rèn)為該產(chǎn)品是一種具有數(shù)千億個(gè)晶體管的片上系統(tǒng)，是其代工業(yè)務(wù)的其他客戶能夠?qū)崿F(xiàn)的目標(biāo)的一個(gè)例子。

英特爾數(shù)據(jù)中心技術(shù)和探路總監(jiān)Eric Fetzer表示，“我們的目標(biāo)是讓計(jì)算達(dá)到我們能夠?qū)崿F(xiàn)的最佳每瓦性能”。這意味著會(huì)應(yīng)用該公司最先進(jìn)的制造技術(shù)Intel 18A。

3D堆疊“通過(guò)縮短躍點(diǎn)來(lái)改善計(jì)算和內(nèi)存之間的延遲，同時(shí)啟用更大的緩存”

—PUSHKAR RANADE

他補(bǔ)充道：“但是，如果我們將該技術(shù)應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)，就會(huì)遇到其他潛在問(wèn)題，系統(tǒng)的某些部分不一定能像其他部分一樣可擴(kuò)展。邏輯通常可以根據(jù)摩爾定律很好地?cái)U(kuò)展一代又一代。”而其他功能則不然。例如，SRAM（CPU的高速緩存）一直滯后于邏輯。連接處理器和計(jì)算機(jī)其余部分的I/O電路則更加落后。

面對(duì)這些現(xiàn)實(shí)，正如所有領(lǐng)先處理器制造商現(xiàn)在面臨的那樣，英特爾將Clearwater Forest的系統(tǒng)分解為其核心功能，選擇最適合的技術(shù)來(lái)構(gòu)建每個(gè)功能，并使用一套新技術(shù)將它們重新縫合在一起。其結(jié)果是CPU架構(gòu)能夠擴(kuò)展到多達(dá)3000億個(gè)晶體管。

在Clearwater Forest中，數(shù)十億個(gè)晶體管被分為三種不同類型的硅IC，稱為裸片或小芯片，將其互連并封裝在一起。該系統(tǒng)的核心是使用Intel 18A工藝構(gòu)建的多達(dá)12個(gè)處理器核心小芯片。這些小芯片以3D方式堆疊在三個(gè)使用Intel 3構(gòu)建的“基礎(chǔ)芯片”之上，該工藝為今年推出的Sierra Forest CPU制造計(jì)算核心。CPU的主高速緩存、電壓調(diào)節(jié)器和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將安裝在基礎(chǔ)芯片上。高級(jí)首席工程師Pushkar Ranade表示：“堆疊通過(guò)縮短躍點(diǎn)來(lái)改善計(jì)算和內(nèi)存之間的延遲，同時(shí)啟用更大的緩存”。

最后，CPU的I/O系統(tǒng)將位于使用Intel 7構(gòu)建的兩個(gè)芯片上，到2025年，該芯片將落后該公司最先進(jìn)的工藝整整四代。事實(shí)上，這些小芯片與Sierra Forest和Granite Rapids CPU中的小芯片基本相同，從而減少了開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

以下是相關(guān)新技術(shù)及其提供的功能：

3D混合鍵合

英特爾當(dāng)前的芯片堆疊互連技術(shù)Foveros將一個(gè)芯片連接到另一個(gè)芯片，采用的是芯片長(zhǎng)期以來(lái)與封裝連接方式的大幅縮小版本：焊料的微小“微凸塊”短暫熔化以連接芯片。這使得Meteor Lake CPU中使用的Foveros版本大約每36微米建立一個(gè)連接。Clearwater Forest將使用新技術(shù)Foveros Direct 3D，該技術(shù)不同于基于焊接的方法，可將3D連接的密度提高16倍。

它被稱為“混合鍵合”，類似于將兩個(gè)芯片表面的銅焊盤焊接在一起。這些焊盤稍微凹陷并被絕緣體包圍。當(dāng)將兩個(gè)芯片壓在一起時(shí)，一個(gè)芯片上的絕緣體會(huì)粘附到另一芯片上。然后，對(duì)堆疊的芯片進(jìn)行加熱，使銅在間隙中膨脹并粘合在一起，形成永久連接。其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手臺(tái)積電在某些AMD CPU中使用混合綁定版本，將額外的高速緩存連接到處理器核心小芯片，并在AMD最新的GPU中將計(jì)算小芯片連接到系統(tǒng)的基礎(chǔ)芯片。

Fetzer表示，“混合鍵合互連能夠大幅提高”連接密度。“這種密度對(duì)于服務(wù)器市場(chǎng)非常重要，特別是因?yàn)檫@種密度驅(qū)動(dòng)著非常低的皮焦每比特通信。” 如果每比特的能源成本太高，則數(shù)據(jù)從一個(gè)硅芯片傳輸?shù)搅硪粋€(gè)硅芯片所涉及的能量很容易消耗產(chǎn)品功率預(yù)算的很大一部分。Foveros Direct 3D使每比特的成本降至0.05皮焦耳以下，這使其與在硅芯片內(nèi)移動(dòng)比特所需的能量處于同一水平。

節(jié)省的大部分能源來(lái)自于傳輸更少的銅線的數(shù)據(jù)。假設(shè)將一個(gè)芯片上的512總線連接到另一個(gè)芯片上相同大小的總線，這樣兩個(gè)芯片可以共享一組連貫的信息。在每個(gè)芯片上，這些總線可能窄至每微米10-20根線。要使用當(dāng)今的36微米間距微凸塊技術(shù)將信號(hào)從一個(gè)芯片傳輸?shù)搅硪粋€(gè)芯片，意味著將這些信號(hào)分散到一側(cè)數(shù)百平方微米的硅上，然后將它們聚集到另一側(cè)的同一區(qū)域。Fetzer表示，對(duì)所有額外的銅和焊料進(jìn)行充電“很快就會(huì)成為延遲和大功率問(wèn)題”。相比之下，混合鍵合可以在幾個(gè)微凸塊占據(jù)的同一區(qū)域中進(jìn)行總線到總線的連接。

盡管這些好處可能很大，但轉(zhuǎn)向混合鍵合并不容易。要形成混合鍵合，需要將已經(jīng)切割的硅芯片與仍附著在晶圓上的硅芯片連接起來(lái)。正確對(duì)齊所有連接意味著芯片必須被切割成比微凸塊技術(shù)所需的更大的公差。修復(fù)和恢復(fù)也需要不同的技術(shù)。Fetzer 表示，甚至連接失敗的主要方式也是不同的。對(duì)于微凸塊，則有可能因連接到相鄰焊點(diǎn)的一點(diǎn)焊料而發(fā)生短路。但對(duì)于混合鍵合，危險(xiǎn)則是導(dǎo)致連接斷開(kāi)的缺陷。

背面供電

該公司今年通過(guò)其英特爾20A工藝（將先于英特爾18A的工藝）為芯片制造帶來(lái)的主要區(qū)別之一是背面供電。在當(dāng)今的處理器中，所有互連，無(wú)論是承載電力還是數(shù)據(jù)，都構(gòu)建在芯片的“正面”硅襯底上方。Foveros和其他3D芯片堆疊技術(shù)需要硅通孔、互連，這些互連可以向下鉆穿硅以從另一側(cè)建立連接。但背面電力傳輸更進(jìn)一步。它將所有電源互連放置在硅下方，基本上將包含晶體管的層夾在兩組互連之間。

這種布置會(huì)產(chǎn)生相關(guān)影響，因?yàn)殡娫椿ミB和數(shù)據(jù)互連需要不同的功能。電源互連需要較寬以減少電阻，而數(shù)據(jù)互連應(yīng)較窄以便可以密集封裝。隨著今年下半年Arrow Lake CPU的發(fā)布，英特爾將成為第一家在商用芯片中引入背面供電的芯片制造商。英特爾去年夏天發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，僅背面供電就帶來(lái)了6%的性能提升。

英特爾18A工藝技術(shù)的背面供電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將與英特爾20A芯片中的技術(shù)基本相同。然而，它在Clearwater Forest中得到了更大的利用。即將推出的CPU在基礎(chǔ)芯片中包含所謂的“片上電壓調(diào)節(jié)器”。使電壓調(diào)節(jié)接近其驅(qū)動(dòng)的邏輯意味著邏輯可以運(yùn)行得更快。距離越短，調(diào)節(jié)器就能更快地響應(yīng)電流需求的變化，同時(shí)消耗更少的功率。

由于邏輯芯片使用背面供電，因此電壓調(diào)節(jié)器和芯片邏輯之間的連接電阻要低得多。“通過(guò)技術(shù)提供的動(dòng)力以及Foveros堆疊為我們提供了一種非常有效的連接方式，”Fetzer說(shuō)道。

RibbonFET，下一代

除了背面電源之外，該芯片制造商還采用英特爾20A工藝改用不同的晶體管結(jié)構(gòu)：RibbonFET。RibbonFET是一種納米片或環(huán)柵晶體管，自2011年以來(lái)取代了FinFET（CMOS 的主力晶體管）。對(duì)于Intel 18A，Clearwater Forest的邏輯芯片將采用第二代RibbonFET工藝制造。Fetzer表示，雖然這些器件本身與Intel 20A中出現(xiàn)的器件沒(méi)有太大區(qū)別，但器件的設(shè)計(jì)具有更大的靈活性。

他還表示，“除了實(shí)現(xiàn)高性能CPU所需的功能之外，還有更廣泛的器件可以支持各種代工應(yīng)用，”這正是Intel 20A工藝的設(shè)計(jì)目的。

RibbonFET的納米線可以根據(jù)邏輯單元的需要具有不同的寬度。圖源：英特爾

其中一些變化源于FinFET時(shí)代失去的一定程度的靈活性。在 FinFET出現(xiàn)之前，采用相同工藝的晶體管可以制成多種寬度，從而允許在性能（伴隨更高電流）和效率（需要更好地控制漏電流）之間進(jìn)行或多或少的連續(xù)權(quán)衡。由于FinFET的主要部分是具有規(guī)定高度和寬度的垂直硅鰭（fin），因此現(xiàn)在必須權(quán)衡一個(gè)器件具有多少鰭（fin）。因此，使用兩個(gè)鰭可以使電流加倍，但沒(méi)有辦法將其增加25%或50%。

有了納米片器件，改變晶體管寬度的能力又回來(lái)了。Fetzer說(shuō)道：“RibbonFET技術(shù)可在同一技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)不同尺寸的焊帶，當(dāng)我們從英特爾20A轉(zhuǎn)向英特爾18A時(shí)，我們?cè)诰w管尺寸方面提供了更大的靈活性。”

這種靈活性意味著設(shè)計(jì)人員可以用來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)單元（基本邏輯塊）可包含具有不同屬性的晶體管。這使得英特爾能夠開(kāi)發(fā)出一個(gè)“增強(qiáng)型庫(kù)”，其中包括比英特爾20A工藝的標(biāo)準(zhǔn)單元更小、性能更好或更高效的標(biāo)準(zhǔn)單元。

第二代EMIB

在Clearwater Forest中，處理輸入和輸出的芯片使用第二代英特爾EMIB水平連接到基礎(chǔ)芯片（具有高速緩存和網(wǎng)絡(luò)的芯片）。EMIB是一小塊硅，包含一組密集的互連和微凸塊，旨在將一個(gè)芯片連接到同一平面上的另一個(gè)芯片。硅被嵌入到封裝內(nèi)部，在芯片之間形成一個(gè)橋梁。

自Sapphire Rapids于2023年發(fā)布以來(lái)，該技術(shù)已在英特爾CPU中投入商業(yè)使用。它是一種成本較低的替代方案，可將所有芯片放在硅中介層上，硅中介層是一塊帶有互連圖案的硅片，其大小足以容納所有芯片。系統(tǒng)的芯片可供放置。除了材料成本之外，硅中介層的建造成本可能很高，因?yàn)樗鼈兺ǔ１葮?biāo)準(zhǔn)硅工藝設(shè)計(jì)的尺寸大幾倍。

第二代EMIB今年與Granite Rapids CPU一起首次亮相，它將微凸塊連接的間距從55微米縮小到45微米，并提高了電線的密度。這種連接的主要挑戰(zhàn)是封裝和硅在加熱時(shí)以不同的速率膨脹。這種現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致翹曲，從而破壞連接。

此外，就Clearwater Forest而言，F(xiàn)etzer說(shuō)道：“還存在一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀儗⒊Ｒ?guī)芯片上的EMIB連接到Foveros Direct 3D基礎(chǔ)芯片和堆疊上的EMIB”。他表示，這種情況最近被重新命名為EMIB 3.5技術(shù)（以前稱為co-EMIB），需要采取特殊步驟來(lái)確保所涉及的應(yīng)力和應(yīng)變與Foveros堆疊中的硅兼容，F(xiàn)overos堆疊比普通芯片更薄。

審核編輯 黃宇