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为什么AI时代,先进封装突然重要了?

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这两年,先进封装突然成了半导体行业的高频词。

Chiplet、HBM、2.5D、3D封装、CoWoS、Hybrid Bonding……

很多人第一次接触这些概念时,会有一个很自然的疑问:

封装以前不就是把芯片包起来吗?为什么现在突然变得这么重要?

如果只是从“封装工艺升级”这个角度去理解,很容易把先进封装看成半导体制造中的一个局部技术。

但实际上,先进封装今天之所以重要,根本原因并不在封装本身。

而在于:

芯片性能继续提升的方法,正在发生变化。

过去几十年,我们主要依靠把晶体管做得越来越小来获得更高性能。

但到了AI时代,仅仅把晶体管继续做小,已经越来越难解决整个系统的问题。

先进封装,正是在这个背景下走到了舞台中央。

一、过去的芯片升级,核心逻辑其实很简单

过去几十年,半导体产业最经典的发展方式就是:

把晶体管做得更小。

晶体管变小以后,一块同样大的芯片上可以放更多晶体管。

晶体管更多,通常意味着更强的计算能力。

同时,制程不断进步,还可以帮助降低一定的功耗,提高芯片集成度。

所以过去我们讨论芯片性能,最常见的问题就是:

“这颗芯片是几纳米?”

从180nm、90nm、45nm,一路发展到今天的先进制程。

这种思路本质上是在做一件事:

尽可能把更多功能塞进一颗芯片里。

过去,这套方法非常有效。

但问题是,越往先进制程走,难度和成本都在快速上升。

晶体管当然还可以继续缩小,但已经不像过去那样“轻松”。

更重要的是,即使晶体管能够继续缩小,也不代表整个系统的所有问题都会自动解决。

AI芯片就是一个非常典型的例子。

二、AI时代的新问题:芯片“算得快”,数据却未必“送得快”

我们平时谈AI芯片,最容易注意的是“算力”。

多少TOPS。

多少TFLOPS。

多少核心。

多少晶体管。

这些指标当然重要。

但是,现代AI计算还有一个同样重要的问题:

数据从哪里来?

一颗GPU真正工作的时候,并不是自己凭空进行计算。

它需要不断从内存中读取数据。

比如模型参数、特征数据、中间计算结果,都要不断在计算单元和存储系统之间移动。

这时候就会出现一个很现实的问题:

GPU的计算速度可以越来越快,但如果数据送不过来,GPU就只能等。

可以把它理解成一家工厂。

工厂里原本有100台机器,后来升级成了1000台高速机器。

机器确实更快了。

但如果原材料还是通过原来的几条小路运进来,那么很快就会出现一个尴尬情况:

机器有能力生产,但原材料供应不上。

这就是现代高性能计算系统越来越重视“带宽”的原因。

而这也是HBM和先进封装越来越重要的直接原因之一。

三、HBM为什么要和GPU放得那么近?

很多人第一次看到AI芯片封装结构时都会发现:

HBM几乎是“贴”在GPU旁边的。

为什么?

为什么不能像普通电脑内存一样,把内存放在稍远的位置?

原因并不复杂。

因为距离越远,数据传输就越困难。

传统方式更多依赖主板上的线路进行数据传输。

但随着AI计算需要的数据量越来越大,仅靠传统互联方式,很难持续满足不断增长的带宽需求。

HBM的思路,则相当于把内存直接搬到了GPU旁边。

这样做有什么好处?

第一,距离更短。

第二,可以提供大量并行的数据通道。

可以继续用高速公路来理解。

传统内存更像是几条速度很高的公路。

而HBM更像是在GPU旁边直接修了一大片多车道高速路网。

不一定要求每一条车道都疯狂提速,但因为车道数量非常多,所以单位时间内能够通过的数据量大幅增加。

这就是为什么HBM特别适合AI和高性能计算。

它真正解决的,不只是“内存更快”。

而是:

让数据能够更高效地送到计算单元。

但这里又出现了一个新问题。

HBM可以靠近GPU,可GPU和HBM并不是直接随便放在一起就行。

两者之间需要大量、高密度、高性能的互联。

这时候,先进封装就真正登场了。

四、为什么传统封装开始“不够用了”?

传统封装时代,封装最重要的任务之一,是保护芯片,并把芯片连接到外部电路。

但到了今天,封装承担的任务已经发生了很大变化。

它不只是“保护芯片”。

还要负责:

把GPU和HBM连接起来;

把多个Chiplet连接起来;

实现高速数据传输;

解决供电问题;

控制信号完整性;

同时还要处理散热和应力问题。

换句话说,过去很多发生在“一颗芯片内部”的连接,现在逐渐开始发生在“封装内部”。

这是一件非常重要的变化。

过去如果想提高系统集成度,我们最直接的办法是:

把更多功能做进同一颗芯片。

而今天,我们开始越来越多地使用另一种方式:

把不同芯片通过高密度封装重新组合成一个系统。

这也是Chiplet兴起的重要背景。

五、为什么不干脆一直做更大的单芯片?

有人可能会问:

既然需要更强算力,为什么不直接做一颗越来越大的GPU?

为什么还要把芯片拆开,再重新封装?

原因之一,是成本和良率。

芯片并不是面积越大越划算。

制造芯片的晶圆上,不可避免会存在一定缺陷。

芯片面积越大,碰到缺陷的概率通常也越高。

如果一颗超大芯片中只有一个关键区域出现缺陷,整颗芯片都可能报废。

而如果把一个大系统拆成几个较小的芯片,也就是Chiplet,就有机会分别制造、筛选,再进行组合。

除此之外,还有另一个问题:

不是所有功能都需要最先进的制程。

例如,一颗高性能芯片中,负责核心计算的部分可能非常需要先进制程。

但某些I/O功能、接口模块、模拟模块,并不一定非要使用同样先进、同样昂贵的制程。

于是就出现了一种新的设计思路:

计算模块用先进制程。

I/O模块可以使用其他成熟制程。

内存由专门的存储工艺制造。

最后再通过先进封装,把这些不同的芯片组合成一个系统。

这就是所谓的“异构集成”。

从这个角度看,先进封装已经不再只是制造后端的一道工序。

它开始参与系统架构本身。

六、先进封装真正接棒的,是“系统性能增长”

所以,如果我们重新回头看今天的先进封装,就会发现一个很有意思的变化。

过去,提升芯片性能最主要的路径是:

把晶体管做小。

而今天,越来越多的性能提升开始来自:

把不同芯片连接得更近、更快、更高效。

这里的核心已经不只是晶体管。

而是系统。

计算单元怎么连接?

存储怎么连接?

不同Chiplet之间怎么通信?

数据怎么移动?

功耗怎么降低?

热怎么导出去?

这些问题开始共同决定一颗高端芯片最终能够做到什么水平。

因此,从更大的视角来看:

先进封装并不是摩尔定律失效后的“补丁”。

它更像是半导体产业从“晶体管缩放”走向“系统缩放”的重要工具。

七、先进封装为什么会越来越重要?

理解了这一点,我们就很容易理解为什么先进封装的战略地位还会继续提高。

因为AI的发展正在同时推动几个趋势:

计算规模越来越大;

内存带宽要求越来越高;

数据搬运量越来越大;

芯片功耗越来越高;

单颗芯片继续做大的成本越来越高。

这些趋势共同指向一个结果:

未来芯片很可能越来越不像“一颗芯片”。

而更像一个小型计算系统。

里面有计算芯片、存储芯片、I/O芯片、各种专用加速模块。

然后通过先进封装,把它们组合起来。

到那个时候,封装做得好不好,直接影响的就不只是芯片是否能够正常工作。

而是:

整个系统能够达到多高的性能。

八、真正值得记住的,不是那些技术名词

所以对于刚开始关注先进封装的人来说,我反而不建议一开始就陷入RDL、TSV、Micro-bump、Hybrid Bonding这些技术细节。

这些技术以后都可以慢慢讲。

更重要的是先记住一条主线:

AI时代,计算能力增长越来越受到“数据搬运”和“系统互联”的限制。

先进封装的价值,就是让多个芯片之间能够像一颗芯片一样,更高效地协同工作。

所以它真正解决的问题,并不是:

“怎么把芯片包装得更高级?”

而是:

当单纯依靠晶体管缩放越来越困难以后,我们还能怎样继续提升整个计算系统的性能?

这才是先进封装真正走到舞台中央的原因。

也是我们理解Chiplet、HBM、2.5D、3D封装乃至未来更多新技术的起点。

下一篇,我们继续回答一个非常关键的问题:

既然做一颗大芯片这么直接,为什么整个行业却开始把芯片“拆开”?

也就是:

Chiplet,到底解决了什么问题?

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