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    從「中芯」風波談  CPU 先進封裝 vs 製程之爭

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    Yeung Chun Fat
    曾經在香港各間主要電腦雜誌工作,隨後轉行到電腦公司任職產品經理,最近重回媒體工作。個人出版的作品包括替香港工業總會轄下香港電子業總會(HKEIC)撰寫《香港電子業穩步向前- 回顧與前瞻》紀念書刊。

    最近中芯國際的人事風波成為城中熱話!半導體行業是少數精英的金權遊戲,卻主宰大多數人的生活。筆者無意重覆大家耳熟能詳的劇情,先利申手上沒有一股中芯國際,僅想談談人事風波背後透視的 CPU 技術發展之爭︰先進封裝 vs 製程

    製程發展陷入報酬遞減

    高科技的發展是一項高風險技術,其回報是否物有所值呢?會否血本無歸呢?無可否認,在 12/14nm 製程之下,廠商開始質疑 7nm 投資價值的問題。如 GlobalFoundries 在 2018 年決定停止研發 7nm 製程,便是很好的例子。而進入 5nm 製程後,新製程的報酬遞減 ( Diminishing returns ) 問題愈見嚴重。網上傳聞,TSMC 的 5nm 製程複雜,其中有 14 層便需要採用昂貴的 EUV 技術,導致 5nm 晶圓的代工費竟比 7nm 時多 80% 以上,令廠商為之卻步。即使理論上同一產品在 5nm 晶圓可以切割的成品較 7nm 時多,但已令業界開始關注日後的 3nm 及 2nm 製程風險控制之問題。

    在過去幾年中,製程的發展一日千里,未來能延續嗎?圖為 TSMC 製程發展圖。

    Intel 及 AMD 已開始轉向先進封裝發展

    Intel 長期執全球半導體廠商之牛耳,儘管在製程上落後 TSMC ,但對於各項半導體技術的研發上不遺餘力,要數近年來應用先進封裝技術的代表作,當數 Lakefield (產品型號為 Core i5-L16G7 ) 的 Foveros 3D 封裝技術。顧名思義, Foveros 3D 封裝技術採用了 3D 封裝,較傳統的 2.5D 封裝可輕易集成數倍的功能,甚至包括不同製程 ( 10nm 及 22nm ) 的晶片於一身。以 Lakefield 為例,即堆疊了 5 個不同的功能模組,以硅穿孔 ( TSV, Through Silicon Via ) 互相連接。從上至下分別為 In-package DRAM、Compute、Foveros、Base 及 Package,功能分別為︰

    In-package DRAM

    即 DDR4 記憶體, Lakefield 支援最大 2x 4GB = 8GB DDR4 記憶體。另為了維持晶片厚度,其高度被限制在 1mm 以內。

    Compute

    最重要的單元,包括以 10nm 製程打造的 CPU 核心及繪圖核心等功能。

    Foveros

    作用是連接 Compute 及 Base 模組,也是 Foveros 3D 封裝技術的靈魂所在。設計以高頻寬、低功耗為主,既可作 Power Delivery,又具一定的散熱功能。

    Base

    Lakefield 採用代號 P1222 Base 晶片,以 22nm 製程打造,包括晶片組、 Power Delivery 及 Low Power Logic 等功能。

    Package

    一般 CPU 皆有封裝基板,而 Lakefield POP 最大的特色是尺寸較一般為小,僅有 12mm x 12mm ,而且厚度只有 1mm。

    作為首款採用 Foveros 3D 封裝技術的產品, Lakefield 以縮小尺寸為主,實驗意味濃厚,又因為內建 CPU 性能一般,所以市場反應並不算好。在 Intel Architecture Day 2020 中, Intel 表示正著手開發下一代的封裝技術。下一代技術計劃把 Pitch 密度縮小 5 倍,從 50um 變成 10um,而 bumps/mm2 從 400 變成 10000 ,該技術的實驗樣品已於今年第二季成功流片 ( Tape Out ),有望在 Lakefield 下一代的版本 Alder Lake 高性能 CPU 中實現。

    除了 Intel 外, AMD 及 NVIDIA 等等廠商也在開發先進封裝技術。目前 AMD Ryzen 3000/5000 CPU ,即採用 Chiplet 多晶片模組技術。此技術屬於 2.5D 封裝技術,技術風險較低。通過在同一封裝上集成 CCD (CPU Core + Cache) 、 IOD (記憶體控制器及晶片組功能),可以混合採用 7nm + 12nm 製程晶片,更容易針對專業及家用市場開發不同功能的版本。

    Lakefield Foveros 3D 封裝架構圖。
    Lakefield Foveros 3D 封裝架構圖。

    從這圖可見 Lakefield 晶片只有手指頭般大小。
    從這圖可見 Lakefield 晶片只有手指頭般大小。

    Intel 正準備推出 Foveros 3D 的下一代技術,集成密度至少提升 5 倍。
    Intel 正準備推出 Foveros 3D 的下一代技術,集成密度至少提升 5 倍。

    Lakefield 下一版本 Alder Lake 屬於高性能 CPU ,有望把先進封裝技術普及。
    Lakefield 下一版本 Alder Lake 屬於高性能 CPU ,有望把先進封裝技術普及。

    通過 Chiplet 多晶片模組技術, AMD 以不同的 CCD + IOD 晶片組合成功推出不同市場用的產品。
    通過 Chiplet 多晶片模組技術, AMD 以不同的 CCD + IOD 晶片組合成功推出不同市場用的產品。

    先進封裝技術有助大陸突破技術封鎖

    先進封裝技術與製程並不是處於敵對的關係,而是屬於一種互補的關係。不過大陸半導體技術普遍落後於西方國家,中國電子發燒友網電子產業分析師 Kevin Cheng 即不諱言,大陸半導體廠商以小型公司為主,技術基礎不強,難與國外大公司相比。時在美國多番限制高科技出口中國大陸,市場最悲觀的看法是如果除去美國技術,中芯國際的製程被迫退回 40nm ,即使能守住目前的 14nm 技術,在不能保證購得 EUV 光刻機的情況下,發展 7nm 以至更進步的 5nm 及 3nm 技術也舉步維艱,此時把發展重點改到先進封裝技術,未嘗不是一個平衡風險的做法。

    目前中芯國際提供最先進製程為 14nm,短期內計劃推出 7nm。
    目前中芯國際提供最先進製程為 14nm,短期內計劃推出 7nm。

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