2.5D封装,为何成为AI芯片的“宠儿”?

科技电力不缺一 2025-03-31 03:28:54

一直以来,提升芯片性能主要依靠先进制程的突破。但现在,人工智能对算力的需求,将芯片封装技术的重要性提升至前所未有的高度。为了提升AI芯片的集成度和性能,高级封装技术如2.5D/3D封装和Chiplet等得到了广泛应用。

多芯片集成的革命——2.5D封装

2.5D封装技术是一种介于传统2D封装与未来3D封装之间的过渡性技术。它通过将多个芯片并排堆叠,并通过中介层实现高速互联,从而大幅提升了数据传输速度和电源效率。

这一技术的首次亮相,是在AMD发布Fury显卡之时,随后,各种基于2.5D封装的解决方案如雨后春笋般涌现,包括CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate)、EMIB(Embedded Multi-die Interconnect Bridge)、FoCoS(Fan-out Chip-on-Chip Substrate)等。

2.5D封装的核心在于多芯片集成,并通过引入高密度I/O(输入/输出)接口,取代了传统载板上的走线方式。这种设计不仅提高了数据传输速度,还使得内存、GPU和I/O等组件能够更紧密地集成在一块基板上,从而显著提升了传输带宽。

目前,2.5D封装技术并没有严格的定义,其应用往往与HBM(High Bandwidth Memory,高带宽内存)显存紧密相连,但并非必须使用TSV(Through Silicon Via,硅通孔)技术,中介层的材质也没有统一规定。

先进封装技术的演进

目前,用于集成AI小芯片(如 GPU 和内存)的先进封装技术主要由两个平台组成:Si interposer 和 RDL interposer。将芯片放置在Si中介层上以进行功能集成的方法称为 2.5D 封装。

相比之下,RDL中介层利用在分布层 (RDL) 进行功能集成,称为 FOCoS(Fan Out Chip-on-Substrate)或 FO-RDL 封装。如果 RDL中介层中包含桥接结构,则称为 FOCoS 桥接或 FO 桥接封装。例如,AMD 的 MI250 将 GPU 和 HBM 集成在 RDL 中介层上,采用嵌入式硅桥在 GPU 和 HBM 之间创建细线连接。

展望先进封装的未来趋势,带有晶体管的有源中介层将逐渐取代无源中介层,FO-Bridge 技术将得到广泛采用。例如,堆叠在 ASIC 上的存储器、堆叠在存储器上的 ASIC 或堆叠在光子学 IC (PIC) 上的 EIC 的封装设计在有源硅中介层上集成了小芯片。这种从无源到有源中介层的转变推动了从水平排列到垂直堆叠的过渡。此外,信号传输将逐渐从铜线连接转向提供几乎无限带宽的光连接。

随着小芯片集成的兴起,AI 的先进封装将包括多个 3D IC 和其他组件,例如集成稳压器 (IVR) 和硅电容器 (Si-Cap),并且将集成光学引擎以进一步增强系统性能。

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