一、人工智能芯片先進封裝技術(shù)的發(fā)展歷程

人工智能芯片先進封裝技術(shù)的發(fā)展是隨著人工智能技術(shù)的興起以及傳統(tǒng)芯片封裝技術(shù)難以滿足需求而逐漸演進的。

在早期，傳統(tǒng)的芯片封裝技術(shù)主要聚焦于芯片的基本保護和連接功能。然而，隨著人工智能的發(fā)展，芯片需要處理海量的數(shù)據(jù)并進行復(fù)雜的運算，對芯片的性能、功耗、散熱以及集成度等方面都提出了更高的要求，傳統(tǒng)封裝技術(shù)的局限性逐漸顯現(xiàn)。

從集成電路誕生后，封裝技術(shù)就在不斷發(fā)展改進。例如，早期的封裝形式如雙列直插式封裝（DIP）等，主要滿足基本的電路連接需求。隨著技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了表面貼裝技術(shù)（SMT）等封裝形式，提高了封裝密度和性能。

進入人工智能時代，2.5D封裝、3D封裝、扇出型封裝（Fan - Out Packaging）以及異質(zhì)集成封裝等技術(shù)逐漸興起。以2.5D封裝為例，它是一種將多個芯片或芯片組件水平排列在同一平面上，并通過硅中介層（Silicon Interposer）實現(xiàn)互連的技術(shù)。硅中介層上集成了高密度的布線層和微凸點，實現(xiàn)了芯片間的高速數(shù)據(jù)傳輸，這種技術(shù)的出現(xiàn)顯著提高了芯片的集成度并降低了互連延遲，是人工智能芯片封裝技術(shù)發(fā)展的一個重要階段。

3D封裝技術(shù)則進一步在垂直方向上實現(xiàn)了芯片的堆疊，采用通孔（Through - Silicon Via，TSV）技術(shù)將不同層次的芯片或組件垂直互連。這使得芯片集成度更高，性能得到顯著提升的同時，有效降低了功耗和散熱問題，也是人工智能芯片封裝技術(shù)走向更高性能的關(guān)鍵發(fā)展成果。

扇出型封裝技術(shù)通過重構(gòu)芯片的封裝結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了更小的封裝尺寸和更高的I/O密度。芯片的I/O引腳被重新布局在封裝基板的邊緣，形成扇出型結(jié)構(gòu)，提高了封裝的可靠性，并且讓AI芯片能夠更緊密地與其他組件集成。

而異質(zhì)集成封裝技術(shù)將不同材料、工藝和功能的芯片或組件集成在一起，采用先進的封裝材料和工藝實現(xiàn)了不同芯片或組件之間的無縫連接和高效互操作，在性能、功耗和成本等方面優(yōu)化了AI芯片。

此外，Chiplet小芯片封裝技術(shù)也備受關(guān)注。它可以將小芯片（芯粒）像積木一樣垂直或水平封裝在一起。該技術(shù)被英偉達、AMD、英特爾、蘋果等多家巨頭紛紛采用。IBM研究主管Darío Gil表示，“半導(dǎo)體的未來很大一部分是封裝和Chiplet技術(shù)，這比從零開始設(shè)計一個巨大的芯片要強大得多。”AMD、英特爾、微軟、高通、三星電子和臺積電等科技巨頭于2022年成立了一個聯(lián)盟，以制定芯片的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，隨后英偉達、IBM以及一些中國大陸公司也加入其中。從這些發(fā)展可以看出，人工智能芯片先進封裝技術(shù)在不斷適應(yīng)人工智能發(fā)展需求的過程中持續(xù)演進和創(chuàng)新。

二、當(dāng)前主流的人工智能芯片先進封裝技術(shù)

（一）2.5D封裝技術(shù)

2.5D封裝技術(shù)是一種異構(gòu)芯片封裝方式，其核心在于硅中介層（Silicon Interposer）的運用。多個芯片或芯片組件在同一平面上水平排列，硅中介層就像是一個橋梁，集成了高密度的布線層和微凸點。這些微凸點實現(xiàn)了芯片間的高速數(shù)據(jù)傳輸，布線層則有助于合理規(guī)劃信號的走向。

這種封裝方式為人工智能芯片帶來了諸多優(yōu)勢。首先，它顯著提高了芯片的集成度。在有限的空間內(nèi)可以集成更多的功能組件，使得芯片的功能更加強大。例如，在處理復(fù)雜的人工智能算法時，可能需要多個不同功能的芯片協(xié)同工作，2.5D封裝可以將這些芯片有效地整合在一起。其次，它降低了互連延遲。在傳統(tǒng)的封裝方式中，芯片之間的連接可能會存在較長的信號傳輸路徑，導(dǎo)致延遲增加。而2.5D封裝通過硅中介層的優(yōu)化布局，大大縮短了信號傳輸?shù)木嚯x，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取＿@對于需要快速處理大量數(shù)據(jù)的人工智能芯片來說至關(guān)重要，例如在深度學(xué)習(xí)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，大量的神經(jīng)元之間的數(shù)據(jù)交互需要低延遲的連接，2.5D封裝技術(shù)能夠滿足這一需求。目前，英偉達的算力芯片采用的臺積電的CoWoS方案就是一種2.5D多芯片封裝技術(shù)，該方案具備提供更高的存儲容量和帶寬的優(yōu)勢，適用于處理存儲密集型任務(wù)，如深度學(xué)習(xí)、5G網(wǎng)絡(luò)、節(jié)能的數(shù)據(jù)中心等，并且已經(jīng)成為了眾多國際算力芯片廠商的首選，是高端性能芯片封裝的主流方案之一。

（二）3D封裝技術(shù)

3D封裝技術(shù)相對于2.5D封裝技術(shù)在集成度上更進了一步，它實現(xiàn)了芯片在垂直方向上的堆疊。這一技術(shù)的關(guān)鍵在于通孔（Through - Silicon Via，TSV）技術(shù)的應(yīng)用。通過在芯片上制作微小的通孔，不同層次的芯片或組件能夠?qū)崿F(xiàn)垂直互連。

這種垂直堆疊的方式為人工智能芯片帶來了多方面的提升。一方面，它極大地提高了芯片的集成度，能夠在更小的體積內(nèi)容納更多功能的芯片。例如，在一些需要高性能計算的人工智能應(yīng)用場景中，可以將多個處理核心、存儲單元等不同功能的芯片垂直堆疊在一起，形成一個功能強大的芯片組合。另一方面，3D封裝技術(shù)縮短了互連距離，芯片之間的垂直連接使得信號傳輸?shù)穆窂礁蹋瑥亩行Ы档土斯摹Ｔ谌斯ぶ悄苄酒倪\行過程中，功耗是一個重要的考量因素，較低的功耗意味著更低的散熱需求和更長的電池續(xù)航時間（對于移動設(shè)備中的人工智能芯片應(yīng)用來說）。同時，由于集成度的提高和信號傳輸距離的縮短，芯片的整體性能得到顯著提升。例如在圖像識別、語音識別等人工智能任務(wù)中，3D封裝的芯片能夠更快地處理數(shù)據(jù)，提高識別的速度和準(zhǔn)確性。

（三）扇出型封裝技術(shù)

扇出型封裝技術(shù)是一種新型的封裝技術(shù)，它對芯片的封裝結(jié)構(gòu)進行了重構(gòu)。在這種封裝方式中，芯片的I/O引腳被重新布局在封裝基板的邊緣，形成扇出型結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢首先體現(xiàn)在封裝尺寸的減小上。通過將I/O引腳合理地布局在邊緣，能夠有效利用空間，使得封裝后的芯片體積更小。對于人工智能芯片來說，在一些對空間要求嚴(yán)格的設(shè)備中，如智能手機、可穿戴設(shè)備等，扇出型封裝技術(shù)能夠滿足其小型化的需求。其次，扇出型封裝技術(shù)提高了I/O密度。更多的I/O引腳可以在有限的邊緣空間內(nèi)布局，這意味著芯片能夠與外部設(shè)備或其他組件進行更多的數(shù)據(jù)交互。在人工智能系統(tǒng)中，芯片需要與傳感器、存儲器等多種組件進行通信，高I/O密度能夠確保數(shù)據(jù)的快速傳輸和交互。此外，這種結(jié)構(gòu)還提高了封裝的可靠性。合理的引腳布局和封裝結(jié)構(gòu)減少了信號干擾和連接故障的可能性，使得芯片在長時間運行過程中更加穩(wěn)定可靠。

（四）異質(zhì)集成封裝技術(shù)

異質(zhì)集成封裝技術(shù)的核心是將不同材料、工藝和功能的芯片或組件集成在一起。在人工智能芯片中，不同的功能模塊可能需要不同的材料和工藝來實現(xiàn)最佳性能。例如，處理邏輯運算的部分可能采用一種工藝和材料，而存儲部分可能需要另一種更適合存儲功能的工藝和材料。

異質(zhì)集成封裝技術(shù)通過采用先進的封裝材料和工藝，實現(xiàn)了這些不同芯片或組件之間的無縫連接和高效互操作。這種封裝方式充分發(fā)揮了不同芯片或組件的優(yōu)勢，實現(xiàn)了人工智能芯片在性能、功耗和成本等方面的優(yōu)化。例如，將高性能的計算芯片與低功耗的傳感器芯片集成在一起，可以在滿足人工智能任務(wù)計算需求的同時，降低整體功耗。同時，通過合理的集成設(shè)計，可以避免不必要的重復(fù)功能模塊，從而降低芯片的成本。此外，異質(zhì)集成封裝技術(shù)還可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，靈活地組合不同的芯片或組件，提高了芯片的適用性和可擴展性。

三、人工智能芯片先進封裝技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

（一）高性能計算領(lǐng)域

在高性能計算領(lǐng)域，人工智能芯片需要具備強大的計算能力和高效的數(shù)據(jù)處理能力，以滿足復(fù)雜的人工智能算法的運行需求。先進封裝技術(shù)在這個領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

2.5D封裝和3D封裝技術(shù)能夠提高芯片的集成度和計算密度。例如，在深度學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練過程中，需要大量的計算資源來處理海量的數(shù)據(jù)。采用2.5D或3D封裝的人工智能芯片可以將多個計算核心集成在一起，形成一個強大的計算集群，大大提高了計算速度。同時，這些封裝技術(shù)通過優(yōu)化芯片間的互連方式，如2.5D封裝中的硅中介層和3D封裝中的通孔技術(shù)，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，使得數(shù)據(jù)能夠在不同計算核心之間快速流動，提高了整個計算系統(tǒng)的效率。此外，先進封裝技術(shù)還可以將高性能的計算芯片與大容量的存儲芯片緊密集成，例如采用CoWoS封裝的高端GPU可以集成HBM（高帶寬內(nèi)存），確保卓越的計算性能與內(nèi)存帶寬，滿足高性能計算中對數(shù)據(jù)存儲和讀取速度的要求。

（二）物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域（自動駕駛、智能家居等）

1. 自動駕駛

在自動駕駛領(lǐng)域，人工智能芯片需要處理來自多個傳感器（如攝像頭、雷達、激光雷達等）的實時數(shù)據(jù)，并快速做出決策。先進封裝技術(shù)有助于人工智能芯片的小型化和集成化。

扇出型封裝技術(shù)可以使芯片的體積更小，滿足自動駕駛汽車中對芯片安裝空間的嚴(yán)格要求。例如，在汽車的電子控制單元（ECU）中，空間有限，扇出型封裝的人工智能芯片能夠更緊湊地安裝。同時，異質(zhì)集成封裝技術(shù)可以將不同功能的芯片（如處理圖像識別的芯片和處理雷達信號的芯片）集成在一起，提高了芯片對不同類型傳感器數(shù)據(jù)的綜合處理能力。這有助于實現(xiàn)更準(zhǔn)確的環(huán)境感知和更快速的決策，例如在識別道路標(biāo)志、檢測車輛和行人等任務(wù)中發(fā)揮重要作用。

2. 智能家居

在智能家居系統(tǒng)中，人工智能芯片需要集成多種功能，如語音識別、圖像識別、傳感器數(shù)據(jù)處理等。先進封裝技術(shù)可以將這些功能集成在一個芯片上或者將多個芯片緊密集成在一起。

例如，智能家居設(shè)備中的語音助手需要進行語音識別和自然語言處理，圖像識別功能用于識別家庭中的人員或物體。采用異質(zhì)集成封裝技術(shù)，可以將語音處理芯片、圖像識別芯片以及與其他傳感器（如溫度傳感器、光線傳感器等）交互的芯片集成在一起，實現(xiàn)單芯片解析語音命令、消除噪音及面部識別等功能，從而提高智能家居系統(tǒng)的智能化水平和整體性能，并且降低設(shè)備的成本和體積。

（三）特定領(lǐng)域（醫(yī)療健康、航空航天等）

1. 醫(yī)療健康

在醫(yī)療健康領(lǐng)域，人工智能芯片的應(yīng)用正在不斷拓展。例如，在醫(yī)學(xué)影像分析中，需要對X光、CT、MRI等影像進行快速準(zhǔn)確的分析，以輔助醫(yī)生進行診斷。

先進封裝技術(shù)可以將高性能的計算芯片與專門用于影像處理的芯片集成在一起，提高影像分析的速度和準(zhǔn)確性。3D封裝技術(shù)可以在有限的空間內(nèi)集成更多的功能模塊，滿足醫(yī)療設(shè)備對小型化和高性能的要求。此外，在醫(yī)療健康領(lǐng)域的可穿戴設(shè)備中，如智能手環(huán)、智能手表等，扇出型封裝技術(shù)可以使人工智能芯片更小、更節(jié)能，從而延長設(shè)備的續(xù)航時間，同時可以集成多種傳感器（如心率傳感器、運動傳感器等）的處理功能，實現(xiàn)對用戶健康數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和分析。

2. 航空航天

在航空航天領(lǐng)域，對芯片的可靠性、性能和功耗等方面有著極高的要求。人工智能芯片在航空航天中的應(yīng)用包括飛行控制系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、航天飛行器的自主導(dǎo)航等。

異質(zhì)集成封裝技術(shù)可以將不同功能和可靠性要求的芯片集成在一起，例如將高性能的計算芯片與抗輻射能力強的芯片集成，滿足航空航天環(huán)境的特殊需求。2.5D封裝技術(shù)可以提高芯片間的通信速度和集成度，確保在航空航天復(fù)雜的電子系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的快速傳輸和處理。同時，先進封裝技術(shù)有助于降低芯片的功耗，這對于航空航天設(shè)備中有限的能源供應(yīng)來說至關(guān)重要。

四、人工智能芯片先進封裝技術(shù)應(yīng)用的成功案例

（一）蘋果公司的MacStudio電腦

蘋果公司在2022年推出，并于2023年更新的高端MacStudio電腦中采用了Chiplet小芯片互聯(lián)技術(shù)。其采用的M系列處理器由臺積電生產(chǎn)，這一案例展示了Chiplet技術(shù)在高端電腦產(chǎn)品中的成功應(yīng)用。

Chiplet技術(shù)可以將小芯片（芯粒）像積木一樣垂直或水平封裝在一起。在MacStudio電腦的M系列處理器中，這種封裝方式有助于提高芯片的性能和功能集成度。通過將不同功能的小芯片進行合理封裝，實現(xiàn)了處理器在有限的空間內(nèi)具備更強大的計算能力、圖形處理能力等多方面的性能提升。例如，將處理邏輯運算的芯粒和負(fù)責(zé)圖形渲染的芯粒進行有效的Chiplet封裝，使得MacStudio電腦在運行圖形密集型應(yīng)用（如視頻編輯、3D建模等）和復(fù)雜的計算任務(wù)時能夠更加高效地運行。同時，這種封裝方式也為蘋果公司在芯片設(shè)計上提供了更大的靈活性，能夠根據(jù)不同的產(chǎn)品需求和性能目標(biāo)，快速組合不同的芯粒來定制芯片，滿足MacStudio電腦在高端市場的定位和用戶對高性能的需求。

（二）英偉達的算力芯片

英偉達的算力芯片采用了臺積電的CoWoS方案，這是一種2.5D多芯片封裝技術(shù)。

在人工智能計算領(lǐng)域，尤其是深度學(xué)習(xí)、5G網(wǎng)絡(luò)、節(jié)能的數(shù)據(jù)中心等存儲密集型任務(wù)方面，這種封裝技術(shù)發(fā)揮了重要作用。CoWoS方案具備提供更高的存儲容量和帶寬的優(yōu)勢。例如，在深度學(xué)習(xí)算法中，需要大量的數(shù)據(jù)存儲和快速的數(shù)據(jù)讀取來支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和推理過程。CoWoS封裝的英偉達算力芯片能夠滿足這一需求，通過將計算芯片與高帶寬內(nèi)存（HBM）等組件進行2.5D封裝，實現(xiàn)了計算與存儲之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，提高了整個芯片系統(tǒng)的性能。這種成功的封裝應(yīng)用使得英偉達的算力芯片在全球數(shù)據(jù)中心、人工智能研究機構(gòu)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為推動人工智能技術(shù)發(fā)展的重要硬件支撐。

（三）華邦與華虹半導(dǎo)體在邊緣人工智能芯片封裝的創(chuàng)新

華邦與華虹半導(dǎo)體等領(lǐng)先制造商在邊緣人工智能芯片封裝方面推出了處理芯片上堆疊定制DRAM的突破方案。

在邊緣計算場景下，與傳統(tǒng)的SRAM方案相比，這種技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。它不僅增大了高速緩存容量，而且確保了數(shù)據(jù)訪問速度，以低成本實現(xiàn)了中端算力的飛躍。在邊緣人工智能應(yīng)用中，例如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的智能傳感器、智能家居中的小型設(shè)備等，這些設(shè)備對成本較為敏感，同時又需要一定的計算能力來進行數(shù)據(jù)處理和人工智能算法的運行。華邦和華虹半導(dǎo)體的這種封裝創(chuàng)新方案滿足了邊緣設(shè)備的需求，使得邊緣人工智能芯片能夠在性能和成本之間達到較好的平衡，從而推動了邊緣人工智能應(yīng)用的發(fā)展，為邊緣人工智能芯片在各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的廣泛應(yīng)用提供了成功的范例。

五、人工智能芯片先進封裝技術(shù)的未來趨勢

（一）向更高密度集成發(fā)展

隨著人工智能算法的日益復(fù)雜和對計算能力需求的不斷增長，未來人工智能芯片先進封裝技術(shù)將朝著更高密度集成的方向發(fā)展。

一方面，在3D封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上，將進一步探索垂直晶體管堆疊技術(shù)。從2028年起，F(xiàn)inFET和全柵極（GAA）結(jié)構(gòu)將邁向CFET和三維超大規(guī)模集成電路，引領(lǐng)10納米尺度下的精準(zhǔn)垂直堆疊與互連。這種垂直晶體管堆疊技術(shù)將能夠在更小的空間內(nèi)集成更多的晶體管，從而提高芯片的計算能力。例如，在數(shù)據(jù)中心的人工智能計算中，需要處理海量的數(shù)據(jù)，更高密度的晶體管集成可以實現(xiàn)更強大的并行計算能力，加速深度學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練和推理過程。

另一方面，異質(zhì)集成封裝技術(shù)也將不斷發(fā)展，更加靈活地將不同材料、工藝和功能的芯片或組件集成在一起。未來可能會出現(xiàn)更多種類的功能芯片集成到一個人工智能芯片中，例如將量子計算組件與傳統(tǒng)的CMOS芯片集成，以探索新的計算模式和提升人工智能芯片的性能極限。

（二）滿足不同應(yīng)用場景的定制化需求

不同的人工智能應(yīng)用場景對芯片的性能、功耗、尺寸等方面有著不同的要求。未來的先進封裝技術(shù)將更加注重定制化，以滿足多樣化的需求。

在云計算領(lǐng)域，人工智能芯片需要具備極高的計算能力和大容量的存儲，以應(yīng)對大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理。因此，針對云應(yīng)用的人工智能芯片封裝可能會采用2.5D或3D封裝技術(shù)，集成更多的計算核心和高帶寬內(nèi)存，同時優(yōu)化散熱設(shè)計以滿足高功耗的運行需求。

而在邊緣計算和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，如智能家居、可穿戴設(shè)備等，對芯片的功耗、尺寸和成本更為敏感。未來的封裝技術(shù)將致力于開發(fā)更小尺寸、更低功耗的封裝方案，例如扇出型封裝技術(shù)可能會進一步優(yōu)化，以實現(xiàn)更小的封裝體積和更低的功耗。同時，異質(zhì)集成封裝技術(shù)也可以根據(jù)不同設(shè)備的功能需求，定制集成不同的傳感器芯片、處理芯片等，實現(xiàn)個性化的人工智能芯片解決方案。

（三）解決成本和可靠性問題

目前，一些先進封裝技術(shù)如Chiplet雖然具有很多優(yōu)勢，但成本較高，限制了其在中低端市場的應(yīng)用。未來，降低成本將是人工智能芯片先進封裝技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢。

一方面，通過改進制造工藝和優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)效率，降低封裝的制造成本。例如，在Chiplet封裝技術(shù)中，尋找更高效的小芯片拼接工藝，減少生產(chǎn)過程中的浪費和額外的工藝步驟。另一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，封裝材料也將不斷創(chuàng)新，尋找成本更低且性能優(yōu)良的替代材料，從而降低整個封裝的成本。

同時，封裝過程中的可靠性和穩(wěn)定性問題也是需要重點解決的。在高密度集成的情況下，芯片之間的互連可靠性、散熱問題以及電磁兼容等都面臨挑戰(zhàn)。未來將加強對這些問題的研究，開發(fā)新的測試方法和

芯片封裝清洗介紹

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