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作者：畅秋
处理器，无论是CPU、GPU、FPGA，还是NPU，要想正常运行，都离不开RAM，特别是DRAM（动态随机存取存储器），它已经成为各种系统（PC，手机，数据中心等）中内存的代名词。
根据应用不同，系统对芯片面积和功耗有不同要求，因此，DRAM被分成标准DDR（双倍数据速率）、LPDDR、GDDR等，当然，主要就是这三类。其中，DDR是相对于SDR（单数据速率）而言的，将I/O时钟加倍了，主要为PC和数据中心的CPU服务，目前已经发展到DDR5；LPDDR是低功耗的DDR，主要用于手机等便携式设备；GDDR则是GPU专用DRAM。
在高性能计算（HPC）和AI发展如火如荼的当下，一个很大的瓶颈就是处理器与DRAM之间的通信速度，越来越跟不上应用需求的前进脚步。对此，人们想出了多种方法，以提升通信带宽，如不断提升DRAM本身的接口性能，以及存算一体等，但从实际应用情况来看，只提升接口性能是不够用的，而存算一体短期内还无法实现。在这种情况下，推出更好的DRAM与CPU、GPU等处理器的结合形式，也就是不断让封装技术进步，成为了业界提升通信带宽的普遍共识。
01、DRAM的常用封装技术
DRAM封装技术几经变迁，从双列直插封装DIP、J型引脚小外形封装SOJ、薄型小尺寸封装TSOP、底部引线塑料封装BLP、焊球阵列封装BGA（F-BGA、W-BGA），发展到芯片级封装CSP、堆叠封装等高性能封装方式。在成本允许的条件下，可尽量采用先进的封装技术，以提升DRAM性能。
目前，堆叠封装技术，特别是系统级封装（SiP），可以在有限的空间内成倍提高存储器容量，或实现电子设计功能，解决空间、互连受限等问题。此外，由于封装设计的变化，引线键合封装因具有灵活性、可靠性和低成本的优点而备受青睐。倒装（Flip Chip，FC）芯片于2016年开始进军DRAM封装，由于高带宽需求的推动，倒装芯片在PC、服务器中的采用率不断增加。目前，系统对高带宽、高性能、低延迟的综合要求很高，硅通孔（TSV）很适合高带宽内存封装需求。
在便携式电子设备应用中（如手机），DRAM的封装尺寸会直接影响到产品的体积大小，所以，封装技术要向轻、薄、短、小方向发展。
不同应用的产品尺寸、性能、形态等存在差异，采用的封装形式也不同。其中，移动终端DRAM（LPDDR）多以WB-FBGA为主，PC和服务器用的标准型DDR则以FBGA、FC为主。
以DDR为例，FBGA线长较短，信号传输好且成本较低，曾经被三星、SK海力士和美光等主流厂商广泛采用，随着内存条产品发展到DDR4，三星、SK海力士的很多产品开始转向FC封装，其传输路径更短，电性能表现更好。尽管FC的成本比FBGA高，但得益于规模效应，两者成本基本持平。现在的高端产品，如DDR5，性能要求很高，目前多采用TSV堆叠封装。TSV采用纵向穿越结构，通过导线将不同层的芯片相互连接起来，这种连接方式不仅提供了更高的信号带宽，还减少了电阻和电感，提高了芯片的整体性能。通过TSV把多芯片的I/O连接，同时实现多芯片堆叠来扩容并实现更小的信号损失。
LPDDR与处理器紧密集成在一起，或者焊接在主板上，靠近CPU，或者直接在处理器（在这种情况下，通常是SoC）的顶部以 package-on-package封装的形式出现，这种形式越来越常见。紧密的集成可减少将内存连接到处理器的长导线中的电阻，从而降低功耗。
总体来看，引线键合是主要的封装方法，广泛应用于移动存储器，其次是倒装芯片封装，其在DRAM市场不断拓展。
02、HBM带动封装技术再创新
目前，AI服务器对HBM（高带宽内存）的需求量越来越大，因为HBM大大缩短了走线距离，从而大幅提升了AI处理器运算速度。
HBM经历了几代产品，包括HBM、HBM2、HBM2e和HMB3，最新的HBM3e刚出样品。HBM是一种应用于CPU和GPU的新型内存，它将多个DDR芯片堆叠在一起后和GPU封装在一起，主要通过TSV技术进行芯片堆叠，通过贯通所有芯片层的柱状通道传输信号、指令和电流，以增加吞吐量并克服单一封装内带宽的限制，实现了大容量、高带宽的DDR组合阵列。HBM3带宽可以达到819GB/s。
目前，全球三大存储芯片厂商都在开发HBM技术和产品，其中，三星和SK海力士已经量产了HBM3，主要用于英伟达的H100、H800和AMD的MI300系列GPU，三星预计于2024年第一季度送样HBM3e，下半年量产，SK海力士则于近期给英伟达送去了HBM3e样品，其最新的GPU芯片H200已经标配了HBM3e。美光（Micron）则相对落后，该公司选择跳过HBM3，直接开发HBM3e。
传统封装技术已经难以满足HBM的需求，而台积电的CoWoS（chip-on-wafer-on-substrate）封装则是较为理想的方案。
CoWoS是一种集成逻辑和HBM芯片的2.5D封装技术，在这种封装中，处理器和HBM在硅中介层上并排键合，以形成具有细间距和器件之间高密度互连布线的晶圆上芯片（CoW）。每个HBM都由带有微凸块的DRAM和一个带有TSV的逻辑基座组成，然后完成在基板上具有较大凸块的TSV中介层的组装。
多年来，CoWoS一直在追求不断增加硅中介层尺寸，以支持封装中的处理器和HBM堆栈。目前，CoW是倒装芯片键合最常用的组装方法，它采用了一种称为混合键合方法的无凹凸技术。
CoWoS产能不足是近期AI芯片出货量的主要瓶颈，以台积电为代表的厂商正在扩充相关产能，以满足市场需求。
03、先进封装大战
台积电在2011年就开始布局CoWoS了，并陆续获得多个客户订单，但由于报价昂贵，加上相应的需求有限，因此，前些年的产能没有明显增加，但是，进入2023年以来，特别是AIGC需求爆发，台积电开始大幅扩建CoWoS产线。
目前，除了台积电，英特尔、三星等芯片制造大厂也在加大先进封装投入力度。
英特尔方面，预计该公司最新先进封装服务将在2026年投入量产。不同于其它竞争对手主要采用硅制程的中间层技术，英特尔选择用玻璃基板，其成本会相对较高，业界采用该方案的厂商较少。
对于赶超台积电HBM先进封装技术最为积极的是三星。
2021年，三星推出了2.5D封装技术H-Cube。今年9月，据Etnews报道，为了追上台积电AI芯片的先进封装，三星将推出名为FO-PLP的2.5D封装技术。
据悉，FO-PLP可将处理器和HBM整合到硅中介层。据悉，FO-PLP的基板是方形，而台积电的CoWoS是圆形基板，FO-PLP不会有边缘基板损耗问题，但由于要将芯片由晶圆移植到方形基板，其作业较为复杂。
近期，三星还推出了最新的封装技术SAINT，包括SAINT S（垂直堆叠内存和CPU），SAINT D（用于CPU、GPU和内存的垂直封装），SAINT L（用于堆叠应用处理器）。
消息人士称，SAINT S已经通过了验证测试，在与客户进行进一步测试后，三星将于2024年推出相应的商业服务。
最近，三星HBM3及其封装服务通过了AMD的质量测试，后者计划将这些芯片和服务用于其最新的GPU芯片Instinct MI300X。
此前，AMD曾考虑使用台积电的封装服务，但由于后者的CoWoS产能严重供不应求，AMD不得不改变计划。
据韩国消息人士透露，三星还在与英伟达进行HBM3芯片技术验证，并提供封装服务。一旦工作完成，预计三星将负责英伟达H100 与HBM3的封装，据悉，这两家公司签署了一项服务和供应协议。
今年6月，三星成立了多芯片集成联盟，目的是与存储芯片公司、外包半导体封装和测试公司（OSAT），以及芯片设计公司共同推进封装技术。
在先进封装技术研发方面，没有芯片工厂的AMD也是不遗余力，特别是在HBM和GPU、CPU封装方面。
在ISSCC 2023国际固态电路大会上，AMD提出了多种新的封装设想，其中之一是在服务器CPU模块内部，直接堆叠内存，而且是多层堆叠。一种方式是将CPU模块和内存模块并排封装在硅中介层上，另一种方式是在计算模块上方直接堆叠内存，有点像手机SoC。
AMD表示，这种设计可以让计算核心以更短的距离、更高的带宽、更低的延迟访问内存，还能降低功耗。
如果堆叠内存容量足够大，主板上的DIMM插槽都可以省了。
AMD甚至考虑在Instinct系列GPU已经整合封装HBM的基础上，继续堆叠DRAM，但只有一层，容量不会太大。这样做的最大好处是一些关键算法可以直接在此DRAM内执行，不必在CPU和独立内存之间往复通信，从而提升性能、降低功耗。
AMD还设想在2D/2.5D/3D封装内部，集成更多模块，包括内存、统一封装光网络通道物理层、特定域加速器等，并引入高速标准化的芯片间接口通道（UCIe）。
04、结语
3D封装是未来发展方向，这种多层结构有很多优点：一、它通过增加芯片层次和连接方式，实现了更高的芯片集成度和功能密度；二、多层堆叠结构减小了整个芯片的体积，使得电子设备变得更加轻薄便携；三、多层堆叠提供了更高的性能和效率，可进一步优化电子设备的处理速度和能耗。
HBM所涉及的封装已经是当下最先进的内存封装技术了，不过，技术进步的脚步一直没有停歇，在扩充现有先进技术产线的基础上，各大厂商还在研发更具前瞻性的技术。
据悉，三星电子先进封装（AVP）事业组正在研发新一代内存技术“Cache DRAM”，目标是在2025年开始量产。与HBM相比，Cache DRAM功耗效率可改善60%，延迟将减少50%。
封装技术方面，Cache DRAM与HBM也有很大区别，HBM是水平连接至GPU，Cache DRAM则是与GPU垂直连接。
当然，不止三星，英特尔、台积电、日月光等大厂都在开发新的内存封装技术，但具体情况还不得而知。
在研发先进封装技术的道路上，需要解决的难题也很多，例如，随着堆叠层数的增加，热量的管理问题越来越凸出，因为在紧密堆叠的芯片中，热量散发变得更加困难。对此，科学家们正在不断寻找解决方案，以保持芯片高性能工作状态的稳定性和可靠性。
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