高樓大廈平地起：Intel 3D 立體封裝或成 CPU 轉折點

半個世紀以來，半導體行業一直在魔鬼般的摩爾定律的指導下飛速前進，工藝、架構、技術不斷翻新，但任何事情都有個變化的過程。近年來，整個半導體行業明顯感覺吃力了很多，很多老路已經行不通或者跑不快了，要想繼續前行，必須拓展新思路、新方向。

比如說處理器晶片封裝，以往大家都是習慣於在一個平面上攤大餅。隨著集成模塊的多樣化、工藝技術的複雜化，這種傳統方式越來越難以為繼，跳出來走向 3D 立體的世界也就成了必然。

其實對於 3D 堆疊式晶片設計，大家應該並不陌生，很多晶片領域都已經做過嘗試，有的還發展得極為成熟。最典型的就是 NAND 閃存，3D 堆疊式封裝已經做到了驚人的 96 層，未來還會繼續加高，無論容量還是成本都可以更加隨心所欲，不受限制。

不過在最核心的 CPU 處理器方面，受制於各種因素，封裝方式一直都沒有太大突破，變來變去也都是在一塊平面基板上做文章，或者是單晶片，或者是多晶片整合。

最近，Intel 提出了革命性的 Foveros 3D 立體晶片封裝技術，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，可能將成為 CPU 處理器歷史上一個重要的轉折點。

Intel Foveros 3D 封裝技術帶來了 3D 堆疊的顯著優勢，可做到邏輯對邏輯 ( logic-on-logic ) 的集成，為晶片設計提供極大的靈活性。

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，以更低的成本做到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” ( 嵌入式多晶片互連橋接 ) ，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，首次讓邏輯晶片可以堆疊在一起，徹底顛覆並重新構建了系統晶片架構。

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片，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、傳感器、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制。

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 矽穿孔、分立式集成電路就是其中的關鍵所在。

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 晶片設計的重要根基。

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 運算堆疊小晶片、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。

根據官方數據，Lakefield 的封裝尺寸今有 12 × 12 毫米，也就是一個拇指指甲蓋那麼大，而基於它的主板參考設計，也是 Intel 歷史上最為小巧的主板，可以完全滿足螢幕小於 11 寸的設備的需求。

功耗嘛，按照 Intel 早前的說法，Lakefield 待機的時候只有區區 0.002W，幾乎可以忽略不計，而最高功耗也不會超過 7W，完全可以不需要風扇，自然能設備做得更加輕薄。

晶片設計從 2D 平鋪轉向 3D 堆疊，這就為設備和系統結合使用高性能、高密度和低功耗晶片制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 已經找準了未來晶片設計的新方向，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。