苹果芯片“拼装”的秘方，在专利里找到了

作者 | 陈巍 千芯 科技

编者注： 苹果于3月9日公布其迄今最强自研电脑芯片M1 Ultra，它将两个M1 Max芯片拼在一起，使得芯片各项硬件指标直接翻倍，这背后的关键技术即是苹果创新定制的封装架构UltraFusion。千芯 科技 董事长陈巍通过分析苹果公司与其芯片代工厂台积电的专利和论文，对这一先进封装技术进行解读。

2022年3月，苹果又一次触动了 芯片界的 游戏 规则 。苹果发布的M1 Ultra芯片，是迄今为止该公司最强大的芯片，却是一个“ 拼装货 ”。尽管很多计算芯片已采用Chiplet（芯粒）技术提升性能，但“拼装货”M1 Ultra的性能还是让 PC界震撼 了。

M1 Ultra支持高达128GB的高带宽、低延迟统一内存，支持20个CPU核心、64个GPU核心和32核神经网络引擎，每秒可运行高达22万亿次运算，提供的GPU性能是苹果M1芯片的8倍，提供的GPU性能比最新的16核PC台式机还高90%。

苹果的新M1 Ultra芯片“拼装”性能之所以成为可能，要归功于其 UltraFusion架构 。其实，UltraFusion功能早已内置于之前发布的苹果M1 Max芯片中，但直到3月的苹果Peek Performance活动才被明确提出。

苹果公司M1 Ultra的UltraFusion架构

M1 Ultra芯片的UltraFusion架构使用 硅中介层（Silicon Interposer） 和 微型凸块（Micro-Bump） ，将芯片连接到超过10,000个信号。

该技术提供2.5TB/s的超高处理器间带宽，以及低延迟。这一性能是其他多芯片互连技术带宽的4倍多。这个速率带宽也明显领先于英特尔、AMD、Arm、台积电和三星等众多行业巨头组成的通用芯粒互连联盟（UCIe）当前的性能。

英特尔等巨头主推的UCIe

根据苹果公司和台积电已发表的专利和论文，我们从2.5D/3D互连和技术层面解析UltraFusion封装架构。

一、芯片封装走向2.5D/3D互连

按摩尔定律描述，芯片上的晶体管数量每24个月翻一番。这对于CPU、GPU、FPGA和DSA依然适用。

芯片晶体管数量逐渐增长（Y. H. Chen et al., 2020）

随着芯片算力呈指数级增长，芯片尺寸逐渐 超出光刻掩模版尺寸 ，系统级封装（System on Package，SoP），特别是Chiplet技术，成为维持摩尔定律，超越掩模版限制的有效方式。（Y. H. Chen et al., 2020）

图灵奖得主姚期智院士也非常重视Chiplet技术，在2020年指导成立了中国自己的 Chiplet产业联盟 ，该联盟与北极雄芯共同为国内设计企业提供Chiplet交流合作的平台和高性价的解决方案。

高性价比的Chiplet方案（北极雄芯/中国Chiplet产业联盟提供）

通过快速发展的片间互连技术和封装技术，摩尔定律从单独的晶体管缩放（摩尔定律1.0）演变为系统级缩放（被业界戏称为 摩尔定律2.0） 。

片间互连技术逐年快速发展（Y. H. Chen et al., 2020）

封装从2D（二维）逐渐发展到 2.5D和3D 。集成电路从扩大面积和立体发展两条路来提升整体性能。

封装从2D（二维）逐渐发展到2.5D和3D（Kuo-Chung Yee et al., 2020）

二、从苹果台积电专利论文，解析UltraFusion架构

从M1 Ultra发布的UltraFusion图示，以及苹果及其代工厂（台积电）的公开专利和论文来看，UltraFusion应是基于台积电第五代CoWoS Chiplet技术的互连架构。

苹果公司Chiplet专利与M1 Ultra（参考专利US 20220013504A1）

Chip-on-Wafer-on-Substrate with Si interposer （CoWoS-S）是一种基于TSV的多芯片集成技术，被广泛应用于高性能计算（HPC）和人工智能（AI）加速领域。

随着CoWoS的进步，可制造的中介层（Interposer）面积稳步增加，从一个全掩模版尺寸（大约830mm2）到两个掩模版尺寸（大约1700mm2）。中介层的面积决定了最大的封装后的芯片的面积。

第5代CoWoS-S（CoWoS-S5）达到了大至三个全光罩尺寸（~2500mm2）的水平。通过 双路光刻拼接 方法，该技术的硅中介层可容纳1200mm2的多个逻辑芯粒和八个HBM（高带宽内存）堆栈。芯粒与硅中介层的采用面对面（Face to Face，互连层与互连层对接）的连接方式。

CoWoS技术所能承载的总芯片面积逐渐增大（P. K. Huang 2021）

在UltraFusion技术中，通过使用 裸片缝合（Die Stitching） 技术，可将4个掩模版拼接来扩大中介层的面积。在这种方法中，4个掩模被同时曝光，并在单个芯片中生成四个缝合的“边缘”。

UltraFusion架构互连技术（单层与多层，参考专利US 20220013504A1/US 20210217702A1）

根据苹果公司的专利显示，在这一技术中，片间互连可以是单层金属，也可以是 多层金属 。（US 20220013504A1/US 20210217702A1）

三、六大技术特别优化

UltraFusion不仅仅是简单的物理连接结构。在这一封装架构中，有几项特别优化过的技术。（P. K. Huang 2021）

1）低RC互连

在UltraFusion中，有新的低RC（电容x电阻=传输延迟）金属层，以在毫米互连尺度上提供更好的片间信号完整性。

与多芯片模块（MCM）等其他封装解决方案相比，UltraFusion的中介层在逻辑芯粒之间或逻辑芯粒和存储器堆栈之间提供密集且短的金属互连。片间完整性更好，且能耗更低，并能以更高的时钟速率运行。这种新的中介层互连方案将走线电阻和通孔电阻降低了50%以上。

跨中介层传输的互连功耗控制（US 20210217702A1）

2）互连功耗控制

苹果的专利显示，UltraFusion使用了可关闭的缓冲器（Buffuer），进行互连缓冲器的功耗控制，有效降低暂停的互连线的能耗。

3）优化TSV

高纵横比的硅通孔（TSV）是硅中介层技术另一个非常关键的部分。UltraFusion/CoWoS-S5重新设计了TSV，优化了传输特性，以适合高速SerDes传输。

4）集成在中介层的电容（iCAP）

UltraFusion在中介层集成了深沟槽电容器（iCap），帮助提升芯片的电源完整性。集成在中介层的电容密度超过300nF/mm2，帮助各芯粒和信号互连享有更稳定的供电。

5）新的热界面材料

UltraFusion通过集成在CoWoS-S5中的新型非凝胶型热界面材料（TIM），热导率>20W/K，覆盖率达到100%，为各个高算力芯粒提供更好的散热支持，从而增强整体散热。

通过Die-Stitching提高良率并降低成本（US 20220013504A1）

6）通过Die-Stitching技术有效提升封装良率降低成本

UltraFusion中，仅将KGD（Known Good Die）进行键合，这样避免了传统的WoW（Wafer on Wafer）或CoW（Chip on Wafer）中失效的芯粒被封装的问题，进而 提升封装后的良率 ，降低了整体的平均成本。（坏的芯片越少，在固定的流片和研发费用前提下，单芯片平均成本就越低）

四、结语：为更强算力芯片提供想象空间

本文中，我们从苹果公司和台积电的专利和论文出发，对UltraFusion技术进行了初步的解析。

UltraFusion充分结合了封装互连技术、半导体制造和电路设计技术，为整合面积更大、性能更高的算力芯片提供了 巨大的想象空间 ，为计算架构的发展提供了非常好的助力和参照。

英特尔公司（INTC）

英特尔是一家集成设备制造商，致力于设计和制造主板芯片组，网络接口控制器和集成电路。该公司的最初产品是存储芯片，包括世界上第一个金属氧化物半导体。今天，英特尔为各种计算机和技术公司创建处理器。分析师预计，在2020年6月，苹果公司（AAPL）宣布计划终止与英特尔的长期合作关系，而苹果公司准备内部生产自己的芯片。

台积电（TSM）

台积电（Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.）是全球最大的独立自主纯晶圆代工厂。纯晶圆代工厂仅制造集成电路，不具有任何内部设计能力。许多半导体公司将其组件制造外包给台湾半导体。

高通公司（QCOM）

高通公司是一家设计和销售无线通信产品和服务的全球半导体和电信公司。全球各地的电信公司都使用高通公司的专利CDMA（码分多址）技术，该技术在无线通信的发展中起了不可或缺的作用。其Snapdragon芯片组可在许多移动设备中找到。

Broadcom Inc.（AVGO）

Broadcom生产数字和模拟半导体，并为计算机的蓝牙连接，路由器，交换机，处理器和光纤提供接口。

美光科技公司（MU）

美光科技在国际上销售半导体产品。其产品用于计算机，消费电子产品，汽车，通信和服务器。它创建闪存RAM产品以及可擦写光盘存储解决方案。

德州仪器（TXN）

德州仪器（TI）为全球制造商设计和制造半导体。该公司是移动设备，数字信号处理器和模拟半导体芯片的主要制造商。它仍然生产最初广为人知的产品：计算器。德州仪器（TI）在1930年成立时是一家石油和天然气公司，然后在1940年代专注于国防系统电子产品。该公司于1958年开始从事半导体业务，目前拥有成千上万的专利。

一、新湖中宝

 

公司主营业务是房地产开发、投资、商业贸易等。其主要产品包括房地产、商业贸易和海涂开发。公司参股上海钻石交易所，并且持有的富加镓业科技依托于中科院上海光机所，专注研究新型第四代半导体材料氧化镓。

 

二、文一科技

 

公司的主营业务是设计、制造、销售半导体集成电路封测设备、模具、塑封压机、芯片封装机器人集成系统、自动封装系统及精密备件。公司是我国带式输送机行业理事级单位，行业标准制定单位，公司产品质量、规模位于轴承座行业前列。公司主营半导体集成电路专用模具和化学建材专用模具的设计，研发和生产，是两市唯一的模具制造。

 

8月龙头的潜伏细节

​

由于我专业的态度和准确的预判，从去年以来多次逃顶与抄底，几乎没有失误，比如这段时间帯大家做的巨轮智能、赣能股份、惠城科技、大港股份等，都已经翻了个倍，积成电子，大金重工也是收获满满。

笔者花3个小时，根据300份中季报，结合盘面情况，热点概念挑选出一只趋势牛！ 属于大周期横盘震荡模式，低位低价区域（横有多长竖有多高），是我们一直强调的中期题材，未来潜力很大，目前很接近5日线附近了，最新获利盘高达100%， 结合当前的市场情况，预计有130%以上的涨升空间，新龙头的启动往往就在一瞬间，机会只留给有准备的人。

 

​大家都知道市场是千变万化的，不能一味地固执、守旧，跟对节奏才是最重要的选择，笔者下周将低吸8月龙头，这次信心十足，具体的就不在这里发放了，公众号：南风擒妖，回复：名单，即可领取。机会出现就要把握住，要遵循市场的法则，说实话不要想着自己会是那个幸运儿，今年是大长腿大年，摩擦拳脚，紧跟脚步！

 

三、隆华科技

 

公司从事传热节能产品的研发、生产及销售；环保水处理产品及服务；靶材等新材料的研发、生产、销售；国防军工新材料的研发、生产及销售。公司在电子溅射靶材领域的竞争优势十分显著，并且在高分子复合材料领域同样具有核心竞争优势。公司旗下晶联光电主营氧化铟镓锌的靶材，|TO靶材，|AZO靶材等陶瓷靶材研发及生产。

 

四、华映科技

 

公司是一家专门从事显示模组业务、盖板玻璃业务、面板业务。模组业务主要产品包括电视、电脑显示器等大尺寸模组产品和智能手机、平板电脑、笔记本电脑、POS机、工业控制屏等中小尺寸模组产品。公司拥有自主研发的氧化铟镓锌技术，成功开发出内嵌式触控屏，刘海屏、打孔屏等相关，并且已投产每月3万片的第六代氧化铟镓锌面板生产线。

 

 

五、冠捷科技

 

公司处于智能显示终端制造行业，主要业务包括智能显示终端产品的研发、制造、销售与服务。产品包括显示器、电视及影音三大类。公司拥有全球第一条的氧化铟镓锌技术的8.5代液晶面板生产线。

---