隨著深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）模型參數(shù)數(shù)量的指數(shù)級增長，AI訓(xùn)練和推理應(yīng)用對計(jì)算資源（如CPU、GPU和內(nèi)存）的需求不斷增加。

摩爾定律的放緩使得傳統(tǒng)單片系統(tǒng)芯片（SoC）的性能提升受限，而芯片級架構(gòu)通過將SoC分解為多個(gè)小芯片（chiplets），利用先進(jìn)封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)高性能和低成本。

芯片級架構(gòu)通過將傳統(tǒng)單片系統(tǒng)芯片（SoC）分解為多個(gè)小芯片（chiplets），利用先進(jìn)封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)高性能和低成本。

3.5D封裝結(jié)合了2.5D和3D封裝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通過硅中介層將多個(gè)3D堆疊芯片（如CPU、GPU、HBM等）連接在一起。

3.5D封裝技術(shù)最簡單的理解就是3D+2.5D，通過垂直堆疊芯片并使用銅-銅混合鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更高的性能和密度，創(chuàng)造了一種新的架構(gòu)。能夠縮短信號傳輸?shù)木嚯x，大幅提升處理速度，這對于人工智能和大數(shù)據(jù)應(yīng)用尤為重要。

2.5D封裝：多個(gè)芯片并排放置，通過硅中介層或高密度橋接實(shí)現(xiàn)芯片間互連。

3D封裝：多個(gè)芯片垂直堆疊，通過銅-銅混合鍵合或微凸點(diǎn)（μbump）實(shí)現(xiàn)互連。

3.5D創(chuàng)新：將3D堆疊芯片與2.5D硅中介層結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更高密度的互連。

混合鍵合（Hybrid Bonding）技術(shù)成為關(guān)鍵使能者，其特點(diǎn)包括：

微縮互連間距：將傳統(tǒng)40μm凸點(diǎn)間距縮小至1μm級

三維互連密度：單位面積互連通道提升10倍以上

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：銅-銅直接鍵合實(shí)現(xiàn)機(jī)械與電氣雙重連接

熱管理優(yōu)化：減少界面材料層，提升散熱效率

3.5D封裝技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于：

高帶寬與低功耗：3D混合鍵合技術(shù)提供了比傳統(tǒng)μbump互連更高的互連密度和更低的功耗。

系統(tǒng)級效率：通過緊密集成不同功能的芯片，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和功耗。

模塊化設(shè)計(jì)：允許靈活配置不同的芯片組合，如MI300A（CPU+GPU）和MI300X（純GPU）。

AMD的3.5D封裝技術(shù)與AI加速器性能提升

AMD的3.5D技術(shù)通過結(jié)合2.5D和3D封裝技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了高性能計(jì)算（HPC）和人工智能（AI）加速器的異構(gòu)集成。具體來說，AMD的3.5D技術(shù)利用了以下三種關(guān)鍵技術(shù)來實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成：

1.直接銅-銅混合鍵合（Cu-Cu Hybrid Bonding）

銅-銅混合鍵合技術(shù)是實(shí)現(xiàn)3D堆疊芯片之間高密度、低功耗互連的關(guān)鍵。AMD在MI300X Instinct加速器中使用了銅-銅混合鍵合技術(shù)，將多個(gè)CPU或GPU芯片垂直堆疊在一起。這種技術(shù)的主要優(yōu)勢包括：

高互連密度：相比傳統(tǒng)的微凸點(diǎn)（μbump）技術(shù)，銅-銅混合鍵合可以實(shí)現(xiàn)更高的互連密度，從而顯著提高芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。

低功耗：銅-銅混合鍵合技術(shù)能夠降低互連的功耗，提高系統(tǒng)的能效。

低延遲：由于互連距離的縮短，數(shù)據(jù)傳輸延遲也相應(yīng)降低。

2.2.5D集成在大型硅中介層上

AMD開發(fā)了一種大型硅中介層（Silicon Interposer），用于連接多個(gè)3D堆疊芯片和其他組件。硅中介層的主要作用包括：

高帶寬互連：通過硅中介層，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片之間的高速互連。例如，AMD的MI300X加速器使用了2.5D硅中介層來連接3D堆疊的CPU/GPU芯片、高帶寬存儲(chǔ)器（HBM）和無源元件。

模塊化設(shè)計(jì)：硅中介層允許將不同的功能模塊（如CPU、GPU、HBM等）集成到一個(gè)封裝中，從而實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。例如，MI300A和MI300X是兩種不同的產(chǎn)品配置，分別針對高性能計(jì)算（HPC）和人工智能（AI）應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

擴(kuò)展性：大型硅中介層可以容納更多的芯片和組件，從而支持更復(fù)雜的系統(tǒng)集成。AMD的MI300X加速器使用了約3000mm2的硅中介層，是光刻掩模面積的3.6倍。

3.基于金屬熱界面材料（TIM）的冷卻解決方案

為了確保高性能計(jì)算和人工智能應(yīng)用中的散熱需求，AMD采用了金屬熱界面材料（TIM）來提高散熱效率。這種冷卻解決方案的主要特點(diǎn)包括：

高效散熱：金屬TIM材料具有較高的熱導(dǎo)率，能夠有效傳導(dǎo)熱量，確保芯片在高負(fù)載下的穩(wěn)定運(yùn)行。

可靠性：金屬TIM材料在高溫和長時(shí)間運(yùn)行中表現(xiàn)出良好的可靠性，能夠滿足高性能計(jì)算和人工智能應(yīng)用的需求。

AMD的3.5D技術(shù)為高性能計(jì)算和人工智能應(yīng)用提供了一種高效、靈活且可靠的解決方案，顯著提升了系統(tǒng)的性能和能效。

高性能：通過高密度的銅-銅混合鍵合和2.5D硅中介層，實(shí)現(xiàn)了CPU、GPU和HBM之間的高速互連，顯著提高了系統(tǒng)的性能。

高能效：銅-銅混合鍵合技術(shù)降低了互連功耗，提高了系統(tǒng)的能效。

靈活性：模塊化設(shè)計(jì)允許根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行定制，如MI300A和MI300X分別針對HPC和AI應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

擴(kuò)展性：大型硅中介層可以容納更多的芯片和組件，支持更復(fù)雜的系統(tǒng)集成。

AMD的3.5D技術(shù)在AI加速器性能提升方面表現(xiàn)顯著，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：

1.計(jì)算性能提升

更高的互連密度：通過銅-銅混合鍵合技術(shù)，3.5D技術(shù)實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)微凸點(diǎn)（μbump）技術(shù)更高的互連密度。這使得CPU、GPU和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率大幅提高，從而顯著提升了計(jì)算性能。

多芯片集成：3.5D技術(shù)允許將多個(gè)CPU或GPU芯片垂直堆疊在一起，形成3D堆疊結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅提高了計(jì)算密度，還通過縮短互連距離降低了延遲。例如，AMD的MI300X加速器通過3D堆疊技術(shù)集成了多個(gè)GPU芯片，顯著提升了并行計(jì)算能力。

2.內(nèi)存帶寬提升

高帶寬存儲(chǔ)器（HBM）集成：3.5D技術(shù)通過2.5D硅中介層將高帶寬存儲(chǔ)器（HBM）與CPU/GPU緊密集成在一起。HBM提供了極高的內(nèi)存帶寬，這對于AI訓(xùn)練和推理任務(wù)中的大規(guī)模并行數(shù)據(jù)操作至關(guān)重要。例如，MI300X加速器支持高達(dá)5324.8 GB/s的HBM3峰值內(nèi)存帶寬，相比上一代產(chǎn)品（如MI250X）提升了約62%。

統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)：在MI300A加速器中，CPU和GPU共享統(tǒng)一的HBM內(nèi)存空間，消除了傳統(tǒng)APU中CPU和GPU使用不同內(nèi)存類型導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸延遲和冗余內(nèi)存拷貝問題。這種統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)簡化了HPC編程，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

3.能效提升

低功耗互連：銅-銅混合鍵合技術(shù)不僅提高了互連密度，還顯著降低了互連功耗。相比傳統(tǒng)的μbump技術(shù)，銅-銅混合鍵合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的能效比。

模塊化設(shè)計(jì)：3.5D技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì)允許根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行靈活配置，從而在性能和功耗之間實(shí)現(xiàn)更好的平衡。例如，MI300A和MI300X分別針對HPC和AI應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，以滿足不同的性能和功耗需求。

4.系統(tǒng)級性能提升

緊密集成：3.5D技術(shù)通過將多個(gè)功能模塊（如CPU、GPU、HBM等）緊密集成在一個(gè)封裝內(nèi)，減少了芯片之間的通信延遲，提高了系統(tǒng)的整體性能。

更高的計(jì)算密度：通過3D堆疊和2.5D硅中介層的結(jié)合，3.5D技術(shù)在相同的封裝尺寸內(nèi)集成了更多的計(jì)算資源，從而提高了計(jì)算密度和性能。

AI加速器性能提升具體數(shù)據(jù)：

矩陣FMA FP16 KOPS/CLK：MI300X加速器相比上一代MI250X加速器，矩陣FMA FP16 KOPS/CLK性能提升了2.5倍。

HBM容量和帶寬：MI300X加速器的HBM容量和峰值帶寬相比MI250X提升了1.5倍。

系統(tǒng)級性能：MI300X加速器在AI訓(xùn)練和推理任務(wù)中的整體性能顯著提升，特別是在處理大規(guī)模并行數(shù)據(jù)操作時(shí)表現(xiàn)尤為突出。

AMD的3.5D技術(shù)通過高密度互連、多芯片集成、高帶寬內(nèi)存和模塊化設(shè)計(jì)，顯著提升了AI加速器的性能。具體來說，3.5D技術(shù)在計(jì)算性能、內(nèi)存帶寬和能效方面都取得了顯著的提升，使得AI加速器能夠更高效地處理復(fù)雜的AI訓(xùn)練和推理任務(wù)。這種技術(shù)不僅提高了系統(tǒng)的整體性能，還為未來的高性能計(jì)算和人工智能應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。

3.5D封裝與AI訓(xùn)練降本

3.5D技術(shù)通過多種方式降低了AI訓(xùn)練的成本，主要體現(xiàn)在硬件設(shè)計(jì)、制造成本、功耗和運(yùn)營成本等方面。

1.硬件設(shè)計(jì)與制造成本

模塊化設(shè)計(jì)：3.5D技術(shù)采用模塊化設(shè)計(jì)，允許將不同的功能模塊（如CPU、GPU、HBM等）集成到一個(gè)封裝中。這種設(shè)計(jì)不僅提高了系統(tǒng)的靈活性，還降低了開發(fā)和制造成本。例如，AMD的MI300A和MI300X加速器分別針對HPC和AI應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，通過模塊化設(shè)計(jì)，可以在不同的產(chǎn)品中復(fù)用相同的芯片模塊，減少了開發(fā)成本。

小芯片（Chiplet）架構(gòu)：3.5D技術(shù)通過將傳統(tǒng)的單片系統(tǒng)芯片（SoC）分解為多個(gè)小芯片（Chiplet），并利用先進(jìn)封裝技術(shù)將它們重新連接在一起。這種架構(gòu)不僅提高了性能，還降低了制造成本。小芯片可以在不同的工藝節(jié)點(diǎn)上制造，從而優(yōu)化性能和成本。例如，某些高性能計(jì)算模塊可以采用先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，而其他模塊可以采用更成熟的工藝節(jié)點(diǎn)，從而在性能和成本之間實(shí)現(xiàn)更好的平衡。

大規(guī)模集成：通過3D堆疊和2.5D硅中介層的結(jié)合，3.5D技術(shù)在相同的封裝尺寸內(nèi)集成了更多的計(jì)算資源。這種大規(guī)模集成不僅提高了性能，還降低了單位計(jì)算能力的成本。例如，MI300X加速器通過3D堆疊技術(shù)集成了多個(gè)GPU芯片，顯著提升了并行計(jì)算能力，同時(shí)降低了單位計(jì)算能力的制造成本。

2.功耗與運(yùn)營成本

低功耗互連：3.5D技術(shù)通過銅-銅混合鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高密度、低功耗的互連。相比傳統(tǒng)的微凸點(diǎn)（μbump）技術(shù)，銅-銅混合鍵合技術(shù)可以顯著降低互連功耗。這對于長時(shí)間運(yùn)行的AI訓(xùn)練任務(wù)尤為重要，因?yàn)榈凸囊馕吨偷倪\(yùn)營成本和更高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

高能效：3.5D技術(shù)通過緊密集成和低延遲互連，提高了系統(tǒng)的整體能效。例如，MI300X加速器在AI訓(xùn)練任務(wù)中的能效比顯著高于上一代產(chǎn)品。高能效不僅降低了功耗，還減少了散熱需求，進(jìn)一步降低了運(yùn)營成本。

統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)：在MI300A加速器中，CPU和GPU共享統(tǒng)一的HBM內(nèi)存空間，消除了傳統(tǒng)APU中CPU和GPU使用不同內(nèi)存類型導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸延遲和冗余內(nèi)存拷貝問題。這種統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，還減少了內(nèi)存需求，從而降低了硬件成本。

3.系統(tǒng)級優(yōu)化

緊密集成：3.5D技術(shù)通過將多個(gè)功能模塊（如CPU、GPU、HBM等）緊密集成在一個(gè)封裝內(nèi)，減少了芯片之間的通信延遲，提高了系統(tǒng)的整體性能。這種緊密集成不僅提高了性能，還減少了系統(tǒng)復(fù)雜性和維護(hù)成本。

高性能與高密度：通過3D堆疊和2.5D硅中介層的結(jié)合，3.5D技術(shù)在相同的封裝尺寸內(nèi)集成了更多的計(jì)算資源，從而提高了計(jì)算密度和性能。這種高性能和高密度的集成不僅提高了系統(tǒng)的整體性能，還減少了數(shù)據(jù)中心的物理空間需求，降低了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)營成本。

快速上市時(shí)間：3.5D技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì)和小芯片架構(gòu)允許快速開發(fā)和部署新的產(chǎn)品，從而縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間?？焖偕鲜袝r(shí)間不僅提高了市場競爭力，還降低了開發(fā)和運(yùn)營成本。

3.5D技術(shù)通過模塊化設(shè)計(jì)、小芯片架構(gòu)、低功耗互連、高能效設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級優(yōu)化，顯著降低了AI訓(xùn)練的成本。具體來說，3.5D技術(shù)在硬件設(shè)計(jì)、制造成本、功耗和運(yùn)營成本方面都取得了顯著的提升，使得AI加速器能夠更高效地處理復(fù)雜的AI訓(xùn)練任務(wù)。這種技術(shù)不僅提高了系統(tǒng)的整體性能，還為未來的高性能計(jì)算和人工智能應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。

采用3.5D封裝架構(gòu)創(chuàng)新不僅延續(xù)了摩爾定律的經(jīng)濟(jì)效益，更開創(chuàng)了"超越摩爾"的新技術(shù)路徑，為下一代計(jì)算平臺(tái)提供核心支撐。