AM4 chiplet 多芯片

锐龙3000封装揭秘:4核到16核不换接口 真难!

2019-07-10
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AMD近日在美国洛杉矶举办年度技术大会,正式发布了包括16核心锐龙9 3950X在内的第三代锐龙3000系列处理器、RX 5700系列显卡,并首次深度揭秘了Zen 2 CPU架构、RDNA GPU架构。锐龙三代不但性能提升巨大,而且依然延续AM4封装接口,与现有的一二代锐龙、300/400系列主板完全兼容,而且按照AMD的说法,AM4接口将延续到至少2020年。但是,你知道多年多平台坚持一个接口不变有多么的困难吗?锐龙3000封装揭秘:4核到16核不换接口 真难!AMD AM4接口始于2016年的第七代APU,当时还是28nm制造工艺,挖掘机CPU架构,最多4核心4线程,之后的三代锐龙CPU、APU处理器都延续这一平台不变,规格也一路来到了7nm工艺、Zen 2架构、16核心32线程,三年之间经历了四种工艺、四种架构、四倍核心数量增加。同时,内存频率从DDR4-2400提高到DDR4-3200,并从12条PCIe 3.0来到24条PCIe 4.0。锐龙3000封装揭秘:4核到16核不换接口 真难!三代锐龙最大的变化,就是采用了chiplet多芯片封装,这是当前形势下非常理智的选择。近些年来,摩尔定律已经逐渐迟缓,半导体工艺和芯片封装技术的挑战越来越大,传统的单芯片设计正面临无法克服的成本难题,如果继续坚持单一芯片整合所有的模拟、逻辑、存储电路,会越来越得不偿失。chiplet多芯片封装之下,不同的IP模块可以选择最适合、最经济的工艺,比如锐龙三代的CPU部分是7nm,重点提高性能,IO输入输出部分则是12nm,节约成本也保证所有核心、缓存之间的延迟保持一致。多芯片的最大难题就是互连效率,AMD为此早就设计了Infinity Fabric总线,现已升级到第二代,在性能、功耗、扩展性各方面都有大幅升级,是确保锐龙、霄龙模块化设计的根基。锐龙3000封装揭秘:4核到16核不换接口 真难!这是锐龙三代的内部结构简图,包括一个或两个CPU Die(CCD),每个最多8核心16线程、32MB三级缓存,还有一个I/O Die(cIOD),Infinity Fabric总线控制器、内存控制器、安全模块、PCIe/USB控制器、时钟发生器和其他各种IO都在这里。每一个CPU Die都通过新设计的GMI2高速总线(当年HT总线的全新升级版)与I/O Die互联,而且两个CPU Die之间没有互通,这样虽然看起来有点绕路,但能确保所有核心、缓存延迟的一致性。而不管内部芯片布局和结构怎么变,对外都得继续兼容AM4,这就对封装提出了极高的挑战。锐龙3000封装揭秘:4核到16核不换接口 真难!根据AMD给出的数据,12nm工艺下焊锡突点间距(bump pitch)为150微米,7nm下则缩小到130微米,对于锐龙这样的高性能处理器来说是非常有挑战性的,无论基板还是焊接都需要革新,而这个世界上能做好microPGA封装的厂商,只有两家锐龙3000封装揭秘:4核到16核不换接口 真难!三代锐龙使用了新的封装设计,12nm I/O Die部分继续使用焊锡突点,7nm CPU Die部分则升级为铜柱(copper pillar),更紧凑,导电性更好,而且封装后芯片高度可保持一致。锐龙3000封装揭秘:4核到16核不换接口 真难!PCIe 4.0的加入也相当棘手,其对PHY物理层、信号、材料等的要求都高了一个档次,AMD为此在封装层采用了低损耗材料,保持信号完整性,并进行了广泛的测试,最终冒险取得了成功。锐龙3000封装揭秘:4核到16核不换接口 真难!这是锐龙三代处理器内部基板上的走线图,可以明显地看出两个CPU Die都至于I/O Die连接,同时后者作为输入输出中枢,再与外接各种连通,而整体依然是AM4兼容的。AMD表示,三代锐龙设计了新的12层基板来满足更多、更复杂的走线,而且通用性很好,可以轻松更换IP模块或者针脚,而且无论一个CPU Die还是两个都是通用的。锐龙3000封装揭秘:4核到16核不换接口 真难!由于传统的贴片机和测试仪器都没有针对多芯片封装进行设计,AMD也不得不重新配置了组装生产线,满足三代锐龙的生产需求。这下知道多芯片封装和同接口兼容,是多么的难了吧。

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