Även om Intels årliga innovationsevent inte startar förrän i morgon, publicerar företaget redan några tillkännagivanden inför showen – och det är inte det triviala heller. I morse visar företaget upp sitt inledande arbete med att utveckla ett glaskärnsubstrat och tillhörande förpackningsprocess för deras chips. Som ett resultat av deras framsteg med forskning och utveckling kring glaskärnorna planerar Intel nu att introducera glaskärnsubstrat till sina produkter under andra halvan av detta decennium, vilket gör det möjligt för dem att paketera chips i mer komplexa och i slutändan högre presterande konfigurationer .
Det finns mycket att packa upp från Intels relativt korta tillkännagivande, men på en hög nivå har glaskärnsubstrat undersökts i över ett decennium som ersättning för organiska substrat, som används i stor utsträckning i nuvarande generations processorer. I huvudsak mediet som typiska kiselformar sitter på, substrat spelar en viktig roll i chipförpackningar. Först och främst ger de den strukturella stabiliteten för ett chip (kiselformar är ganska ömtåliga och tunna), och de är också medlet genom vilket signaler från kiselformar överförs, antingen till andra formar på förpackningen (dvs. chiplets), eller till det stora antalet relativt stora stift/kuddar på baksidan av ett chip. Och eftersom chipstorlekarna har ökat under åren – och antalet stift/signaler som krävs av avancerade chips har också – så har behovet av nyare och bättre material att använda som substrat, vilket är det som har drivit Intels senaste prestation.
I slutändan, vad Intel siktar på att göra med glaskärnsubstrat är att förbättra vad som kan göras med befintliga organiska substrat, vilket gör att större chips med fler signaler kan dirigeras genom substratet renare. Och även om detta potentiellt kommer att ha fördelar för alla chips under tillräckligt lång tid, ligger det omedelbara fokus på avancerade multichiplet-processorer, där glaskärnsubstrat kommer att erbjuda bättre mekanisk stabilitet, bättre signalintegritet och möjligheten att lättare dirigera ett större antal signaler genom ett icke-kiselmedium. Kort sagt, Intel anser att det är en av nycklarna till att göra högpresterande processorer under det kommande decenniet.
Substrat: En snabb sammanfattning
Behovet av substrat går tillbaka till några av de tidigaste dagarna för storskaliga integrerade chips, där chipdesigner nådde tusentals och tiotusentals transistorer. Dessa små transistorer behövde kopplas till mycket större stift för att kunna installeras i system av relativt massiva mänskliga händer, vilket ledde fram till de första chippaketen, såsom dubbla in-line-paket. Dessa använde en ram – vanligtvis en blyram – att hålla själva kiselformen, med ramen (eller alternativt trådbindningar) som ger signalvägarna mellan formen och externa stift.
Intel 4004 Delidded (bild med tillstånd Science Museum Group Collection Online – CC BY-SA 4.0)
Sedan 70-talet har det skett flera utvecklingar inom substratdesign. Metallramar gav vika för klassiska keramiska chip på 90-talet, och sedan ekologiska förpackningar runt millennieskiftet. Varje iteration av substrat hade bättre egenskaper än den förra, framför allt, vilket gjorde det lättare att dirigera ett större antal signal- och strömstift till allt mer komplexa dies.
Även om du fortfarande hittar blyram och keramiska chips här och där, har organiska substrat varit branschens bröd och smör under de senaste decennierna. Det organiska materialet, huvudsakligen tillverkat av PCB-liknande material skiktat med vävda glaslaminat, gör att ett ganska stort antal signaler kan dirigeras genom ett chip, inklusive grundläggande chipletdesigner som Intels mobila processorer (med PCH separata PCH- och CPU-matriser) samt AMD:s chipletbaserade Zen-processorer.
Men organiska substrat har redan varit en begränsande faktor sedan en tid tillbaka, särskilt i high-end chips. Vilket är anledningen till att vi under det senaste decenniet har sett uppkomsten av sammankopplingsgränssnitt med ultrahög densitet som kiselinterposers (chip på wafer på substrat) och deras derivat som Intels egen EMIB. Dessa har gjort det möjligt för företag att överbrygga de kritiska vägarna för sina chips med snabba och täta bitar av kisel, men till ganska höga kostnader, och utan att helt lösa nackdelarna med organiska substrat. Som ett resultat har Intel också letat efter en verklig ersättning för organiska substrat, ett som kommer att spela bra med stora chips, och även om det inte ersätter behovet av CoWoS/EMIB på högsta nivå, skulle det erbjuda bättre signalprestanda och tätare routing än organiska substrat idag.
Glaskärnsubstrat: Finare, men ändå starkare
Detta för oss till ämnet för dagens tillkännagivande från Intel, glaskärnsubstrat. Företaget har arbetat med att ersätta organiska substrat med glas i över ett decennium nu, och de har äntligen nått framsteg där de är redo att visa upp det för världen samtidigt som de planerar för användning i framtida produkter.
På en hög nivå är ett glaskärnsubstrat just det: att ersätta det organiska, PCB-liknande materialet i en organisk förpackning med glas. För att vara säker, betyder detta inte att ersätta hel substrat med glas – så Intel kommer inte att montera chips på rena glasbitar – utan snarare skulle materialet i kärnan av substratet vara gjort av glas. Samtidigt skulle metallomfördelningsskikt (RDL) fortfarande finnas på båda sidor av ett chip, vilket ger de faktiska vägarna mellan olika dynor och lödfogar.
Även om det är svårare att arbeta med än det nu väletablerade organiska substratet, anser Intel att glassubstrat är överlägsna både vad gäller mekaniska och elektriska egenskaper, vilket i sin tur gör dem önskvärda att använda i framtida chips. Eller omvänt mindre oönskat än organiska substrat när man bygger mycket stora spån.
Med utgångspunkt från den mekaniska sidan av materien rapporterar Intel att glaskärnsubstrat erbjuder mycket bättre mekanisk styrka än organiska substrat. De klarar högre temperaturer bättre än organiska substrat under förpackning, vilket resulterar i mindre skevhet och distorsion. Glas är enligt uppgift också lättare att få plattare också, vilket gör förpackningar och litografi enklare. Slutligen har glas en liknande termisk expansionskoefficient som kisel (till skillnad från organiska substrat), vilket betyder att den lilla skevhet som fortfarande uppstår från värme överensstämmer med formarna ovan, i motsats till att olika delar av ett chip expanderar i olika hastigheter.
Det viktigaste är kanske att alla dessa föremål tillsammans öppnar dörren till att producera större marker. Med ett stabilare substrat att montera dies på, kommer det att vara möjligt att ha större dies och ett större antal dies som alla delar ett enda substrat – och därmed beter sig som ett enda chip.
Genom att överbrygga gapet mellan mekaniskt och elektriskt, enligt Intel, kan de också uppnå en mycket snävare stigning på de genomgående glasvägarna (TGV) som bär signaler genom själva substratet, vilket möjliggör ett mycket större antal vias totalt sett. Intel rapporterar att de kan placera TGV:er mindre än 100 mikron (µm) från varandra, vilket möjliggör en 10-faldig förbättring av TGV-densiteten. Allt detta möjliggör i slutändan mer flexibilitet i att dirigera signaler genom substratkärnan, och i viss mån gör det lättare att dirigera signaler med färre RDL-lager.
Allt detta i sin tur gör det möjligt att inte bara placera större marker, utan även att fler dies kan placeras på ett chip av samma storlek. Enligt Intel skulle glasförpackningar göra det möjligt för dem att placera 50 % fler dies på ett chip – eller snarare, den komplexa ytan inom ett chip kan vara 50 % större – vilket möjliggör mer tätt packade chips än vad Intel kan göra idag.
Slutligen, på den elektriska sidan av saker, ger glaskärnsubstrat, och mer specifikt TGV, enligt uppgift också bättre elektrisk prestanda. På grund av den låga förlusten av dielektrikum som används i TGV kombinerat med det mycket större antalet av dem, säger Intel att glaskärnsubstrat kommer att möjliggöra renare signaldirigering och kraftleverans. I fallet med det förra innebär det att man kan göra 448G-signalering genom koppar, snarare än att behöva använda optiska sammankopplingar. Samtidigt skulle energileverans med lägre förlust förbättra den totala chipeffektiviteten så mycket mer, genom att minska mängden energi som går förlorad som värme innan den ens når processorn dör.
Ännu längre fram bör glaskärnsubstrat också göra sampaketerad optik lättare att åstadkomma när du vill använda optisk. Ett glassubstrat skulle göra det möjligt för optiska sammankopplingar att integreras direkt i chippet, snarare än att behöva fästa det på andra sätt.
Så om glas är så bra, vad är haken? Medan Intel förståeligt nog är mer exalterade över att prata om vad som är bra med glaskärnsubstrat och vad de har funnit fungerar bra hittills, kommer en ofrånkomlig del att vara kostnad. Liksom all ny teknik kommer glaskärnsubstrat att vara dyrare att producera och förpacka med än beprövade (och billiga) organiska substrat. Och även om Intel inte pratar om avkastning så här långt ut, kommer det att vara svårt för glas att konkurrera med ekologiskt, åtminstone till en början.
Mer allmänt sett innebär glaskärnsubstrat också att Intel behöver starta upp ett komplett ekosystem för materialet. De är inte vertikalt integrerade med organiska substrat idag, och de kommer inte att vara vertikalt integrerade med glas heller. För detta ändamål arbetar Intel redan idag med partners för att utveckla nödvändig verktygs- och leveranskapacitet, för att ta sig till initial kommersiell produktion. Men på längre sikt kommer Intel att behöva ta reda på hur man gör outsourcad testning och montering möjlig, särskilt eftersom Intel planerar att erbjuda glaskärnsubstrat till IFS-kunder i framtiden.
Slutligen bör det noteras att även om glaskärnsubstrat tillåter en snävare signalstigning än organiska substrat, är de inte en ersättning för EMIB, Foveros eller andra mer avancerade packningstekniker baserade på användning av silikonmedier. En 75 µm pitch för en TGV är fortfarande långt ifrån 45 µm stigningen för EMIB, strunt i den <10 µm pitch som planeras för Foveros Direct. Så alla dessa förpackningsteknologier kommer att förbli komplementära tillägg till glaskärnsubstrat, i bästa fall ersätta EMIB i randfall av produkter som inte behöver EMIBs fulla densitetsförbättringar.
Glas i aktion: Intels fullt funktionella testchip
Den sista delen av dagens tillkännagivande från Intel är baserad på sakens tillverkningssida. Som nämnts tidigare har Intel arbetat med glaskärnsubstrat i över 10 år nu, och har på senare tid påbörjat ett tre och ett halvt år långt sökvägsprojekt för att ta glaskärnsubstrat till nästa steg. Som stöd för dessa ansträngningar har företaget vid det här laget en helt integrerad FoU-linje igång i en av deras fabriker i Chandler, Arizona (samma som gör EMIB). Sammanlagt har Intel spenderat över en miljard dollar på forskning och utveckling av glaskärnor hittills.
Den första frukten av deras FoU-ansträngningar, Intel har slutfört monteringen av en uppsättning testfordon – multi-chip-paket byggda över ett glassubstrat. Chipsen, som liknar Intels mobilchip med ultralåg effekt (Alder Lake-U 9W?), är enligt uppgift fullt fungerande, vilket ger Intel några praktiska resultat att rapportera om. Även om vi inte har massor av detaljer på chippet, har Intel berättat för oss att den använder 3 lager av RDL, och TGV:erna har en tonhöjd på 75 µm.
Tillsammans med att bevisa glasets elektriska egenskaper är det lilla testchipet också avsett att bevisa några av de fysiska egenskaperna. Glaskärnan gjordes mycket tjock – i storleksordningen 1 mm – för att bevisa att TGV skulle fungera med en så tjock kärna. För den typ av massiva, avancerade chips Intel planerar att använda glaskärnpaket för, kommer dessa chips att kräva en mycket tjock kärna för att nå sina storleksmål, så Intel behövde bevisa att TGV:er (fortfarande) skulle fungera på sådana längder.
Intel Glass Core Substrat: Kommer senare detta årtionde
Avslutningsvis fungerar dagens tillkännagivande som en slags kick-off för Intels era med glaskärnsubstrat. Efter deras decennium av FoU-arbete och deras sprint för att hitta vägen, tror Intel nu att de är redo att börja planera för övergången till glaskärnsubstrat i sina produkter – om än en övergång som fortfarande är flera år kvar.
Om Intels produktutveckling går enligt plan har företaget för avsikt att börja leverera glaskärnprodukter senare detta decennium. De första produkterna som fick glaskärnsubstratbehandlingen skulle vara deras största och mest lönsamma produkter, såsom high-end HPC och AI-chips. Det här är de produkter som är mest ansträngda av användningen av organiska substrat idag på grund av storleksbegränsningarna som dessa substrat ställer, och det är de gränser som Intel tror skulle ha störst nytta av förpackningar med glaskärna.
På längre sikt är planen att sänka tekniken från HPC-chips till mindre och mindre chips, tills tekniken är tillgänglig (och genomförbar) för Intels vanliga konsumentchips. Företaget noterar mycket snabbt att glas och organiska substrat kommer att existera tillsammans i många år framöver – och precis som tidigare övergångar kommer det sannolikt fortfarande att finnas flis som använder organiska substrat långt efter att glas introducerats – men företaget är också optimistiskt att de Kommer att kunna sänka kostnaderna för glaskärnsubstrat till paritet med organiska substrat, vilket så småningom gör det möjligt att skörda fördelarna även i billigare processorer.
Och Intel kommer inte att hålla tekniken för sig själva heller. Som en del av företagets bredare initiativ att bli ett kontraktsgjuteri i världsklass kommer Intel att erbjuda glaskärnsubstrat till IFS-kunder i sinom tid. Även om det är alldeles för tidigt att gissa när det skulle vara (även Intel-produkter kan vara 6 år ut), att kunna erbjuda glasförpackningar kan ge Intel ett stort steg framför sina konkurrenter, särskilt för att producera high-end, mycket lönsamma chips .
Framför allt måste det upprepas att det finns mycket arbete som Intel fortfarande behöver göra för att få ut glaskärnsubstrat till marknaden. Men om företaget är framgångsrikt, kommer övergången till glas att inleda den typ av stor teknikövergång som bara sker vart 15:e till 20:e år.
