英特爾未來將推出十六核心的第十二代酷睿處理器的消息（詳見《8+8+1架構見過沒！英特爾第十二代酷睿竟抄襲ARM？》）。不過，不少小伙伴都擔心這次又是“膠水”多核，而且一提到“膠水”就感覺非常Low。實際上，在當前的處理器市場，膠水已經泛濫，而且它也沒有我們想象的那般不堪。

源于“膠水”的多核心

現在的我們都知道，在絕大多數情況下處理器的性能與核心數量成正比，多核“吊打”單核就是天經地義。

然而，如何在1顆芯片里塞進（通過封裝技術）更多核心？這個問題曾一度困擾著整個半導體行業。

將時間的指針撥回到1995年Pentium Pro的誕生前夜，受當年落后制程工藝（350nm~500nm）的拖累，別說在1顆芯片內實現雙核設計，就連高速二級緩存單元都無法同時與運算核心在1顆晶圓顆粒內共存。

因此，當時英特爾的解決思路是使用2顆晶圓顆粒，分別用于制造運算核心與高速二級緩存（L2），再將它們一起封裝進1塊CPU的基板上，最終造出了Pentium Pro。而這種將雙晶圓“膠合”在一起設計，就是“膠水雙核”概念的最早來源。

在未來的時間里，英特爾將“膠水”設計進一步發揚光大——先是將2個單核心整合封裝的“奔騰D”（Pentium D）雙核處理器，再到將2個雙核心整合封裝的Core 2 Quad四核處理器，“膠水”的工藝和配方不斷成熟，這種“膠合”在一起的多核處理器的表現也有所改善。

當然，這種由膠水粘貼出來的多核處理器依舊飽受爭議，在當年曾一度掀起了“真假雙核”和“真假四核”的討論，大體結論是“真多核”性能大多領先“假多核”，以至于一提到“膠水多核”大家就一臉鄙夷。

時至今日，類似的“膠水”技術仍在處理器領域混的風生水起，只是它已經不僅限于單純CPU運算單元，而是可以“膠合”更多模塊。

“膠水”技術再度興盛

所謂的“膠水”，主要指的就是MCM （MCM-Multichip Module，多芯片模塊）技術，它能將多顆芯片和其他單元組裝在同一塊多層互連基板上，然后進行封裝，從而形成高密度和高可靠性的微電子組件。

第一代酷睿Westmere處理器，將CPU和GPU封裝在同一塊基板內，它們之間使用QPI總線相連

繼Pentium Pro、Pentium D和Core 2 Quad之后，英特爾還利用MCM技術先后將CPU和GPU、CPU和PCH、CPU和eDRAM緩存打包組合。

自第二代酷睿起英特爾將內存控制器、PCI控制器、GPU全部整合進單CPU芯片后，從第四代移動版酷睿Haswell開始，英特爾又將PCH南橋芯片與CPU封裝在同一塊基板內

集成Iris核顯的28W處理器，其中較小的芯片為eDRAM緩存

AMD也沒閑著。

進入Zen架構時代之后，AMD在Ryzen銳龍及EPYC霄龍處理器上也引入了MCM技術（官方稱為CCX多核架構），它們可以在一塊基板上封裝多個CPU Die，每個CPU Die都集成最多8核心16線程的CPU和32MB三級緩存等單元。

想擁有更多的物理核心和性能，只需搭配不同數量的CPU Die即可。

I/O die單元為14nm，CPU Die單元為10nm，同一基板上不同的Die由MCM技術膠合封裝

類似的“膠水多核”還見于英特爾最新的Cascade Lake-AP 48核處理器，其本質是由兩個24核的Cascade Lake處理器通過MCM技術組合而來，也并非原生48核。

雖然在歷史上“膠水多核”的名聲非常不好，但這項技術在今天卻有著浴火重生的態勢。究其原因，還是摩爾定律逐漸失效，提升頻率和增加核心之路變得越發艱難。

理論上講，將CPU、GPU、緩存、I/O等控制器打包到同一塊晶圓芯片上（單片電路）最是完美，但在半導體工藝逐漸逼近物理極限的情況下，既想要更多核心，還要更高主頻，集成包括CPU、PCH、I/O單元、DDR內存控制器、PCIe控制器和IF控制器在內的所有常見功能模塊，成本還不能太高——純屬做夢！

因此。在現有工藝的水平上，最經濟可行的解決方案，唯有異構MCM之路。

然而，處理器基板的面積有限，表面多顆芯片之間的通訊還存在延遲的隱患，這就需要處理器廠商優化封裝技術，并引入更高速的總線接口。

封裝技術的立體演進

想將不同功能模塊單元膠合在同一塊基板上看起來很容易，但現實情況卻是困難重重。

比如，不是所有功能模塊都需要最先進的工藝，CPU和GPU用7nm，內存控制器14nm就足夠了，想將這些不同工藝的芯片融合在一起，還要降低成本和保證良品率，這可不是傳統2D封裝技術能搞定的，于是就有了2.5D封裝技術。

在2.5D封裝技術上，知名的方案主要以臺積電的“InFO”（整合型扇出）和英特爾“EMIB”（嵌入式多芯片互連橋接）為主，前者能以較低成本的有機封裝來鏈接芯片，但在密度上不如EMIB。

此外。AMD曾在Fury X顯卡首次商業化的HBM顯存技術、新一代銳龍處理器7nm CPU Die和14nm I/O Die單元分離的設計，也是利用了2.5D封裝將GPU核心與HBM核心整合在一個底座上。

我們可以將以英特爾EMIB為代表的2.5D封裝技術理解為“平面版”的樂高積木，可以在一個固定大小的平面上，橫向固定不同樣式和大小的積木塊。

在處理器領域，這些積木塊就變成了由不同工藝打造的不同功能模塊，比如將7nm工藝的CPU、10nm的GPU、14nm的I/O單元、22nm的通訊單元等等。

EMIB的意義就在于能將不同制程的芯片組合在同一基板的封裝之中，同時它還具有正常的封裝良品率、不需要額外的工藝、設計簡單等優點。

英特爾和AMD攜手打造的“Kaby Lake-G”平臺處理器（整合CoffeeLake-H架構的CPU、AMD Vega架構的GPU以及4GB HBM2顯存）以及Stratix 10 FPGA就是EMIB技術的首次預演。

問題來了，2.5D封裝技術可以容納多少功能模塊取決于基板大小，對于絕大多數處理器的芯片尺寸而言，空間總是不夠用的。

此時，就需要一種類似“立體版”的樂高積木了，可以像蓋樓一般將所有需要的功能模塊一層層地縱向疊加累積起來。

引領未來的3D封裝技術

提起芯片的堆疊，可能很多朋友都會想到智能手機——幾乎所有的新款手機都會選擇將內存芯片覆蓋在處理器芯片上以節省主板空間，疊放還能讓處理器和內存間的引線長度最短，從而降低線路噪音、訪問延遲、電力損耗。手機領域的這種內存和處理器“疊羅漢”的設計即PoP（元件堆疊裝配），它并非3D封裝，而是“堆疊”，屬于一種多成品芯片之間的焊接技術。

真正的“3D封裝”，應該是一種晶圓對晶圓（Wafer-On-Wafer）無凸起的鍵合（Bonding）3D IC制程技術。目前符合這一標準的技術，主要以臺積電旗下的“SoIC”，以及英特爾主推的“Foveros”的3D封裝技術為主。

先來看看臺積電的SoIC技術，它是基于CoWoS與多晶圓堆疊技術開發的新一代創新封裝技術，利用硅穿孔（TSV）技術將多種不同性質的臨近芯片整合在一起，用于結合的機密材料（號稱價值十億美元）能直接透過微小的孔隙溝通多層的芯片，在減少厚度的同時還能增加多倍以上的性能。

英特爾的Foveros技術的原理是通過TSV和微凸塊（Micro-Bumps）技術，堆疊其他的晶圓芯片和微芯片。

它可以讓只能在EMIB封裝技術中以平面分布的功能模塊縱向立體的摞在一起，在犧牲一點點厚度的前提下就可進一步壓縮處理器基板的尺寸。

以英特爾Lakefield處理器為例，它在12mm×12mm的面積里就集成了1個10nm制程的Sunny Cove架構CPU大核、4個10nm制程的Tremont架構CPU小核、以及LPDDR4內存控制器、L2和L3緩存以及Gen11 GPU單元。

Lakefield處理器和主板與簽字筆的大小對比

作為目前最高級的“膠水”，3D封裝技術能在更小尺寸的芯片里就整合更多的功能模塊。

然而，在制程工藝已逼近物理極限，異構計算大行其道，更多不同類型的芯片需要被集成在一起的大環境下，無論SoIC還是Foveros似乎都還有所不足。

為了實現基于封裝技術，就能在更小尺寸的基板上打造出集成多類型小芯片的SoC系統級單芯片的夢想，英特爾祭出了“終極膠水”——將2.5D封裝EMIB和3D封裝Foveros技術優勢集于一身的“Co-EMIB”方案，它能在將多芯片橫向拼接的同時，還能在任意芯片的表面繼續疊高樓，并通過全方位互連（ODI）技術、裸片間接口（MDIO）技術和硅通孔（TSV）技術解決多芯片矩陣之間互聯通訊和延遲等問題。

值得一提的是，AMD在推出HBM顯存產品，實現了GPU芯片和顯存芯片的2.5D整合封裝后，也即將跟進3D封裝技術，初級目標是將DRAM/SRAM和處理器（CPU/GPU）通過TSV（硅穿孔）的方式整合在一顆芯片中，雖然形式上與手機領域的PoP封裝處理器+內存顆粒相似，但底層技術卻更加先進。

總之，在異構計算時代，“膠水多核”已經不再是招人嘲笑的對象，而是一種符合歷史發展潮流的必然選擇。只是，借助封裝技術將更多芯片靈活的“打包”后，需要面臨更為嚴苛的散熱問題，開發人員需要更加精心地考慮系統的結構（甚至影響系統的物理結構和芯片的核心架構），以適應、調整各個熱點。