除了傳統(tǒng)的芯片結(jié)構(gòu)之外，IBM 研究中心還在研究將人工智能和其他尖端模式的力量帶入生活的新方法。半導(dǎo)體領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是如何將片上系統(tǒng)的各種功能分解為可配置為最好地解決問題的設(shè)備。這些被稱為小芯片的設(shè)備可以解鎖強大的新功能，例如將人工智能加速器與多個內(nèi)存小芯片和單個輸入輸出設(shè)備堆疊在一起的人工智能設(shè)備，創(chuàng)建一個可用于推斷最先進的人工智能模型的小芯片集。

Chiplet 是 IBM 半導(dǎo)體研究的一個重點領(lǐng)域，而如何有效地封裝它們是該工作的重要組成部分。目前，盡管有多個團體支持的建議，但其他公司制造的小芯片如何相互交互還沒有標(biāo)準(zhǔn)化。IBM 正在研究這些設(shè)備的工作方式，包括設(shè)計高帶寬互連、如何將硅芯片堆疊在一起、設(shè)備如何保持冷卻以及它們?nèi)绾卧诜庋b中保持足夠的功率?！拔覀儾艅倓傞_始觸及皮毛，”麥克赫倫說。

這只是封裝研究革命的開始。“當(dāng) CMOS 微縮技術(shù)處于鼎盛時期，你不需要所有這些花哨的封裝——所有的創(chuàng)新都發(fā)生在硅片上，”McHerron 說?！艾F(xiàn)在鐘擺正從 CMOS 微縮創(chuàng)新轉(zhuǎn)向封裝創(chuàng)新，即在給定空間內(nèi)封裝更多硅芯片，而不是僅僅通過晶體管微縮在硅芯片上封裝更多晶體管?！?/p>

麥克赫倫說，通過硅和封裝技術(shù)混合方式的增強，可以提高系統(tǒng)性能?！拔覀冋幱诜庋b性能的新時代?！?/p>

簡而言之，芯片封裝提供了計算機芯片運行的機械環(huán)境。封裝為芯片提供電源并容納輸入和輸出，使其能夠與計算系統(tǒng)的其余部分進行通信。芯片在運行時也容易變熱，因此封裝旨在保持一定的溫度范圍，以免芯片過熱。

經(jīng)過整個行業(yè)數(shù)十年的反復(fù)試驗，許多現(xiàn)代微電子模塊都是圍繞大致相同的材料（稱為有機基板）構(gòu)建的。大多數(shù)的核心材料是一種名為 FR-4 的材料，它由編織玻璃纖維和環(huán)氧樹脂組成，而且環(huán)氧樹脂也具有阻燃性。FR-4 面板通常層壓有一層薄薄的銅箔，這是一種高導(dǎo)電材料。目前正在研究用于芯片封裝的其他材料，例如由玻璃制成的核心，這可以實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸和更小的芯片結(jié)構(gòu)。但這項工作可能還需要數(shù)年時間才能投入生產(chǎn)。

層壓板的頂部是為封裝中的銅布線而構(gòu)建的層。電介質(zhì)之間的堆積層是由一家名為 Ajinomoto 的公司制造的，該公司主要以食品包裝而聞名。事實證明，包裝美味佳肴的過程與制造有機層壓板所需的層并沒有太大不同——至少從化學(xué)角度來看是這樣。但我們不建議食用這些層壓板。

基礎(chǔ)基板材料通常針對許多不同應(yīng)用的芯片封裝進行標(biāo)準(zhǔn)化。對于芯片必須在非常熱的情況下運行的情況，更多的是如何冷卻設(shè)備，而不是其層壓結(jié)構(gòu)中使用的材料。這是在芯片背面處理的。

該芯片通過稱為受控塌陷芯片連接（C4）的焊球連接到有機基板上，這實際上是 IBM 幾十年前發(fā)明的。然后，使用液態(tài)環(huán)氧底部填充材料來隔離球。隨著芯片尺寸不斷縮小，我們需要找到將部件連接在一起的新方法，因為目前 C4 球中使用的焊料無法像芯片的其他部件一樣有效地縮小尺寸。IBM 正在開創(chuàng)新方法，例如混合鍵合，其中使用銅層和氧化物電介質(zhì)將芯片直接鍵合在一起，無需中間焊接連接。

當(dāng)縮小芯片尺寸時，您需要確保所有組件都具有極高的可靠性，因為幾乎沒有發(fā)生故障的空間。各種結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力會隨著它們變小而發(fā)生變化。隨著人工智能計算的新進步和新形式的芯片設(shè)計，芯片之間重新需要更多更小的互連，以支持強大的人工智能訓(xùn)練和推理模型。

IBM奧爾巴尼 NanoTech Complex 封裝研究設(shè)施的大部分重點現(xiàn)在都圍繞著提高可靠性以及減小芯片之間高密度互連所需的銅線尺寸和電介質(zhì)厚度。人們正在研究新的工藝技術(shù)，以設(shè)計、構(gòu)建和測試這些更小尺寸的組件。這包括壓力測試設(shè)備，并確保它們能夠產(chǎn)生每種潛在操作情況所需的信號強度和電流。部件經(jīng)過熱循環(huán)，確保它們可以在不同的溫度和濕度水平下工作，并在幾周內(nèi)模擬模塊的整個使用壽命進行測試。

一旦設(shè)計出新的半導(dǎo)體并在封裝中進行了測試，就需要大規(guī)模生產(chǎn)。還需要在這里進行研究和測試，以確保實驗室中有效的設(shè)計可以輕松地按照客戶需要的規(guī)模進行生產(chǎn)。這是 IBM 位于加拿大魁北克省南部布羅蒙工廠的工作的一部分。

Bromont 為廣泛的客戶生產(chǎn)模塊封裝和測試，其中包括 IBM —Bromont 將芯片封裝在 IBM Z 和 P 系統(tǒng)中。它也恰好是北美最大的外包半導(dǎo)體組裝和測試(OSAT) 設(shè)施，也是美國政府信任的設(shè)施?！癇romont 在很大程度上是 IBM 芯片研發(fā)領(lǐng)域的核心人物，”負責(zé) Bromont 研發(fā)和業(yè)務(wù)開發(fā)的 Etienne Lemieux 說道。

有人可以通過多種方式與布羅蒙的研究人員和生產(chǎn)人員一起工作。在某些情況下，客戶可能會想出他們希望如何封裝芯片的想法，并會要求 Bromont 團隊構(gòu)建原型并找出大規(guī)模制造它們的流程。有時，客戶手上已經(jīng)有了完整的設(shè)計，但會尋求 IBM 的生產(chǎn)經(jīng)驗來提高其可制造性。很少有客戶會完全空白并指望 IBM 從頭開始設(shè)計某些東西，但這種情況是有可能發(fā)生的。然而，在大多數(shù)情況下，工作通常集中在試圖使芯片封裝生產(chǎn)更具成本效益。

對于大多數(shù)合作，整個過程——從聯(lián)系 IBM 到大規(guī)模交付芯片——可能需要六個月到兩年的時間。在此期間，工程師和技術(shù)人員將致力于構(gòu)建對他們正在使用的設(shè)計最有意義的制造流程，向客戶提供原型并獲得反饋以迭代地達到最終輸出。Lemieux 表示，可能需要三到四次迭代才能讓各方對流程的可靠性和成本效益感到滿意。

一旦生產(chǎn)就緒流程和設(shè)計最終確定，IBM 通常會將它們發(fā)送給客戶，然后客戶將依賴可以將它們安裝在卡上的制造商，例如 PCIe 卡或主板，具體取決于它們的使用方式。

在開發(fā)芯片封裝工藝時，Bromont 團隊在MiQro Innovation 協(xié)作中心(C2MI) 完成大部分工作，這是舍布魯克大學(xué) (University of Sherbrooke) 旗下的先進半導(dǎo)體研發(fā)機構(gòu)，位于 Bromont 基地附近。C2MI 站點在其 Bromont 工廠內(nèi)擁有與 IBM 大致相同的工具，使團隊能夠測試想法，然后將其有效地引入生產(chǎn)線。

與在奧爾巴尼進行的材料和架構(gòu)測試非常相似，Bromont 團隊也對其工藝進行壓力測試，以確保他們能夠生產(chǎn)具有高可靠性的封裝芯片。在 C2MI，IBM 員工可以測試各種熱材料、零件組件和底部填充材料在生產(chǎn)周期中的可靠性。還有針對這些工藝的壓力測試，例如通過濕度室運行他們的想法，并通過從 0°C 到 120°C 的熱量變化運行芯片和工藝超過 200 次，以確保它們足夠強大，適合實際使用。

與奧爾巴尼類似，布羅蒙的團隊已經(jīng)看到封裝現(xiàn)在在芯片設(shè)計和性能中發(fā)揮著更大的作用，并致力于創(chuàng)建芯片及其封裝比近年來更加交織的工藝?！胺庋b已成為整個模塊性能的重要組成部分，”Lemieux 說。