再聊Intel 4工艺和Foveros封装：电脑CPU真的变了

shuszhao

Intel刚刚发布的电脑处理器Meteor Lake基于Intel 4制造工艺，并采用Foveros3D封装方案。尤其后者，或许对PC处理器而言，意味着一个新时代的开启；chiplet和先进封装真正要走进千家万户了；Intel说这是40年来最大的处理器架构变革...
有关代号Meteor Lake、用于PC的新一代酷睿Ultra处理器，大框架的技术点我们已经在前篇文章做了介绍。Meteor Lake之所以受人瞩目，品牌名还改做了“酷睿Ultra”，很大一部分原因是这代芯片，部分基于最新的Intel 4制造工艺；与此同时还用上了chiplet、先进封装这些热门技术。
其实我们过去对Intel 4制造工艺，以及EMIB、Foveros先进封装技术已经多有报道。但这次Intel Innovation上，随Meteor Lake的发布，Intel又做了一些信息的更新。本文就来谈谈Intel 4工艺，以及在Meteor Lake处理器上应用的先进封装技术。
  


Intel 4的晶体管密度提升问题


这次的媒体会上，Intel说Intel 4的量产意义很大，是此前Intel承诺的“四年5个节点”“非常重要的里程碑”，“会对Intel 3、20A、18A工艺起到促进作用”。
Intel现在似乎不喜欢人们将其工艺和“几nm”挂钩。不过去年年中，我们就在《Intel 4工艺剖析：可以算是4nm吗？》一文就其定位做了明晰，即便Intel不愿意将Intel 4和4nm这个称谓扯上关系，Intel 4也的确在很多维度上超过了另外两家foundry厂的4nm工艺，并且明显和3nm更接近。
在去年的IEEE VLSI研讨会上，Intel就明确过Intel 4的HP高性能单元库面积缩减2倍，或者说晶体管密度相较Intel 7提升2倍。

                               
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上面这张图给出了Intel 7和Intel 4高性能库的尺寸，以及关键参数——包括fin pitch、金属层M0间距、contacted poly pitch等。具体的之前我们都介绍过了，就不再赘述。
不过依旧要强调一点，就是Intel 4这代工艺只做了HP高性能库，而没有做HD高密度库。所以这里的密度提升2倍，是前后两代HP库的比较。此前Intel就说过HD库会留待Intel 3节点时实施。
对于Meteor Lake而言，Intel 4的HD库缺失其实无关紧要，因为Intel 4主要用于这颗芯片的Compute tile，也就是CPU所在的那片die；其余die/tile的工艺可能都有差异，有些是由第三方foundry制造的——这也充分体现了Intel现如今的IDM 2.0战略。


互联金属层、关键更新、良率


Intel 4在互联金属层部分，除了间距缩减，相比Intel 7多了1层M15；真正开始在某些层上使用EUV极紫外光刻；且底层的材料使用上也发生了很大的变化。主要是M0-M4这5层的金属线，换成了所谓的eCu（增强型铜）。

                               
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这种eCu实际上是铜外部覆盖钴，最外层diffusion barrier则为钽。关注Intel制造工艺的读者应该会比较了解，在Intel的10nm工艺时代，最初就很激进地选择了钴材料。不谈电阻率的问题，这可能也成为10nm（包括Intel 7）此前迟迟未能步入成熟期的重要原因。
实际上钴的电阻率是高于铜的，所以其导线电阻本身也将更高——这是对钴而言的显著不利因素。此前Intel之所以换用钴，是考虑到铜的电子迁移（electromigration）问题。随工艺节点持续迈进，金属层线宽（line width）也变得更小。钴的特性，决定了导线外部的barrier层可以做得很小，钴的line core width则保持住宽度，电子迁移的问题就会比较小——而铜在这方面就是个大问题。
但大概是存在实施上的技术难度，以及考虑钴毕竟还是有着显著更高的电阻率，Intel也就对这部分做了改良。Intel 4的eCu方案达成了更低的线路电阻，而且电子迁移带来的寿命问题也达到了钴相似的水平，如下图：

                               
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Intel 4工艺还有一些关键点，包括“广泛使用”EUV极紫外光刻，不仅提高了图案的保真度，而且减少了总的掩模数和工艺总步骤——这个好像是三星、台积电也都不忘宣传的。如果说相同图案的曝光，据说工艺步骤能减少3-5倍。
Intel给的数据是，芯片在采用EUV光刻的情况下，Intel 4工艺相较于Intel 7总体少了20%的掩模数，工艺步骤则减少了5%。毕竟如果不用EUV，而继续用DUV多重曝光的话，Intel 4相比Intel 7必然会大幅增加工作量。
另外基于EUV还带来了一个好处，互联结构变得更加“标准化”。Intel 7由于尚未使用EUV，带来了不少非标准的连接方式；EUV则带来了更为统一的“网格化互联设计规则”。

                               
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Intel方面说，这对于APR工具（auto placement & route）变得很重要，“在没有特殊件的情况下，布局、单元摆放、时钟树统一（CTS）、布线等都更容易实现”；在Intel 7时代，“必须要要用特殊件，要做非常仔细的分布，以免出现摆不好或者放不下之类的情况”。
有关Intel 4达成的PPA提升，之前Intel也提过。基于行业标准核心（应该是Cortex-A76），采用Intel 4相比Intel 7在时钟频率方面最多可提升21.5%。即Intel 7工艺达到2.1GHz频率时，同功耗下Intel 4能多出21.5%的频率；而2.1GHz同频率下，Intel 4可降低40%的功耗。
Intel 4的极值频率多了5%的余量，是8VT（4N+4P，可能是一种HVT晶体管）选择带来的更高的极值性能。不过注意，从下面的图也不难发现，这不是基于x86的核心IP；Meteor Lake即酷睿Ultra产品层面应当会揭晓这方面的数据。

                               
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还有一项关键更新是Intel 4的MIM（metal-insulator-metal）电容密度提高了大约2倍，属于金属互联高层部分的SuperMIM电容迭代。此前Intel 7还叫10nm enhanced SuperFin时期，Intel提及过SuperMIM的更新。
当时Intel就说采用一种新型的SuperMIM，相比面积相似的业界标准MIM，电容量增加5倍，实现电压降低和性能提升。其中关键是通过新型high-k材料在<0.1nm的薄层中沉积，在两个或多种材料类型之间构成所谓的superlattice超晶格。
Intel 4这部分的提升详情，Intel没有在本次媒体会上多谈；只是提到376 fF/μm²的电容密度。具体如下图：

                               
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有关Intel 4最后值得一提的是良率。据说Meteor Lake的良率很高，基本超过了14nm和10nm成熟期的良率水平。下面这张图提供了良率的相对值，可见已经高于Skylake和Tiger Lake。
像Tiger Lake，理论上应该已经算是Intel 10nm的第三代了。Intel愿意在Meteor Lake发布之际呈上这样的数字，一方面是给予市场信心，另一方面应该也是为接下来Intel 3要提供foundry服务做前期宣传。

                               
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有关Foveros封装，及Meteor Lake上的应用


其实Intel最知名的两类封装方式，EMIB和Foveros，我们之前也写过好些文章做过介绍了。前几个月，我们和几家半导体封装设备厂聊了聊，进一步明确了“先进封装”的概念。行业普遍是把互联密度足够小的芯片倒装（flip chip）也算做先进封装的。
而一般我们大部分人理解，相对狭义的“先进封装”是特指2.5D和3D封装，也就是将不同的chiplet基于硅桥（silicon bridge）或者某种中介（interposer）“连起来”的封装方案。

                               
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Intel EMIB（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge）就属于一种基于硅桥的2.5D封装方案，就是在chiplet之间，在封装基板上“挖出”硅桥通路，如上图中的最后一类方案；EMIB达成的IO互联间距为55μm。比较知名采用了EMIB封装的芯片如4代至强Sapphire Rapids。
Foveros在Intel看来完全属于3D堆叠方案，就是把chiplet/die面对面叠起来——比如下图中上两层通过μbump互联堆叠方式。我们最早见过基于Foveros做3D堆叠的芯片是2020年少批量生产的Lakefield。当时Lakefield基于Foveros叠了base die和compute die两层。其中compute die主要是CPU和GPU，而base die就是cache和IO了。

                               
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虽然就interposer的角度来看，它其实多少有些像是2.5D封装。不过Foveros作为一个品牌，本身也在不断迭代，或者说有不同的技术版本。比如说Foveros Omni、Foveros Direct等。其中第四代的Foveros Direct就是传说中的hybrid bonding混合键合了，据说互联间距可达成10μm。
而传说中异常复杂的Ponte Vecchio，也就是2021年Intel Architecture Day上发布的那颗GPU，现在叫GPU Max，则结合了EMIB和Foveros（Intel似乎将其结合命名为Co-EMIB）——即有些地方3D堆叠，水平方向再做2.5D封装。芯片总共包含47个有源tile，采用5种不同的工艺节点。

                               
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即将上马的Meteor Lake首先是chiplet化的，这一点介绍Meteor Lake技术要点的文章已经谈过。即整颗芯片，是由几片不同的chiplet/die/tile构成的，包括Compute tile、Graphics tile、SoC tile、IO tile；
这些tile又叠在了一片base tile上方。此前传言消息称，其中Compute tile基于Intel 4工艺，base tile则基于Intel 22FFL工艺；还有其他的tile都由台积电制造，但工艺或许也存在差异，包括了N5和N6。

                               
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这么做不光是沾了chiplet和先进封装的一切好处——包括不同chiplet可以用最适配的工艺去造、节约成本，从晶圆上切小die提升了晶圆利用率、制造良率；以及更为松散的方案利于规模的弹性化缩放；另一个优势是就产品层面，让不同定位的SKU更容易做，因为不同功能区块都做到了模块化——这一点我们也在Meteor Lake技术要点分享文章里做过解读。


可能是40年来最大的处理器架构变革


Foveros的真正大规模量产，以及IDM 2.0战略体现的集大成者，应该都在这一代Meteor Lake上。其实看到个人电脑处理器开始大举应用chiplet和先进封装技术，而且明年大概我们就能用上，仍然感觉相当不可思议。抛开隔壁的3D V-Cache应用不谈，Zen的那种chiplet还很难称得上2.5D或3D封装。
所以Intel称Meteor Lake “是40年来最重要的PC架构变化：由monolithic芯片设计，全面转向模块化的设计，3D封装技术则为这种模块化设计提供了最底层的技术支持”。
最后分享Meteor Lake“组装”的框架流程，也很有趣，具体如文末的图片。因为Meteor Lake分成了不同的chiplet或tile，所以Intel首先从自家fab厂，以及第三方foundry厂，拿到造好的不同的tile；并做测试。
这些tile要叠到base tile之上。不过base tile晶圆首先是不做切割的。将上述4个tile基于Foveros封装到base tile上。完成堆叠以后，再进行切割与后续封测。
“因为3D封装很复杂，我们也在不断改进封装工厂，加大投资，以配合Meteor Lake以及未来PC产品的生产，以期实现大规模3D封装。”此前Intel就透露过2025年的产能增加计划，以及包括在俄勒冈、新墨西哥和槟城的投资扩产。
眼见PC处理器的新时代很快就要拉开帷幕了。（导读：《马上要来的酷睿Ultra处理器：Meteor Lake关键技术点剖析》《最新的酷睿处理器里面为什么要加一颗NPU？》）

                               
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电脑处理器Meteor Lake基于Intel 4制造工艺

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