隨著深度神經網絡（DNN）和機器學習（ML）模型參數數量的指數級增長，AI訓練和推理應用對計算資源（如CPU、GPU和內存）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，而芯片級架構通過將SoC分解為多個小芯片（chiplets），利用先進封裝技術實現高性能和低成本。

芯片級架構通過將傳統(tǒng)單片系統(tǒng)芯片（SoC）分解為多個小芯片（chiplets），利用先進封裝技術實現高性能和低成本。

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

3.5D封裝技術最簡單的理解就是3D+2.5D，通過垂直堆疊芯片并使用銅-銅混合鍵合技術，實現了更高的性能和密度，創(chuàng)造了一種新的架構。能夠縮短信號傳輸的距離，大幅提升處理速度，這對于人工智能和大數據應用尤為重要。

2.5D封裝：多個芯片并排放置，通過硅中介層或高密度橋接實現芯片間互連。

3D封裝：多個芯片垂直堆疊，通過銅-銅混合鍵合或微凸點（μbump）實現互連。

3.5D創(chuàng)新：將3D堆疊芯片與2.5D硅中介層結合，實現更高密度的互連。

混合鍵合（Hybrid Bonding）技術成為關鍵使能者，其特點包括：

微縮互連間距：將傳統(tǒng)40μm凸點間距縮小至1μm級

三維互連密度：單位面積互連通道提升10倍以上

結構穩(wěn)定性：銅-銅直接鍵合實現機械與電氣雙重連接

熱管理優(yōu)化：減少界面材料層，提升散熱效率

3.5D封裝技術的關鍵優(yōu)勢在于：

高帶寬與低功耗：3D混合鍵合技術提供了比傳統(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，減少了數據傳輸的延遲和功耗。

模塊化設計：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封裝技術與AI加速器性能提升

AMD的3.5D技術通過結合2.5D和3D封裝技術的優(yōu)勢，實現了高性能計算（HPC）和人工智能（AI）加速器的異構集成。具體來說，AMD的3.5D技術利用了以下三種關鍵技術來實現異構集成：

1.直接銅-銅混合鍵合（Cu-Cu Hybrid Bonding）

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

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

低功耗：銅-銅混合鍵合技術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，數據傳輸延遲也相應降低。

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，可以實現多個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、高帶寬存儲器（HBM）和無源元件。

模塊化設計：硅中介層允許將不同的功能模塊（如CPU、GPU、HBM等）集成到一個封裝中，從而實現靈活的系統(tǒng)設計。例如，MI300A和MI300X是兩種不同的產品配置，分別針對高性能計算（HPC）和人工智能（AI）應用進行了優(yōu)化。

擴展性：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

為了確保高性能計算和人工智能應用中的散熱需求，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包括：

高效散熱：金屬TIM材料具有較高的熱導率，能夠有效傳導熱量，確保芯片在高負載下的穩(wěn)定運行。

可靠性：金屬TIM材料在高溫和長時間運行中表現出良好的可靠性，能夠滿足高性能計算和人工智能應用的需求。

AMD的3.5D技術為高性能計算和人工智能應用提供了一種高效、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，實現了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-銅混合鍵合技術降低了互連功耗，提高了系統(tǒng)的能效。

靈活性：模塊化設計允許根據不同的應用需求進行定制，如MI300A和MI300X分別針對HPC和AI應用進行了優(yōu)化。

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

AMD的3.5D技術在AI加速器性能提升方面表現顯著，主要體現在以下幾個關鍵方面：

1.計算性能提升

更高的互連密度：通過銅-銅混合鍵合技術，3.5D技術實現了比傳統(tǒng)微凸點（μbump）技術更高的互連密度。這使得CPU、GPU和內存之間的數據傳輸速率大幅提高，從而顯著提升了計算性能。

多芯片集成：3.5D技術允許將多個CPU或GPU芯片垂直堆疊在一起，形成3D堆疊結構。這種結構不僅提高了計算密度，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堆疊技術集成了多個GPU芯片，顯著提升了并行計算能力。

2.內存帶寬提升

高帶寬存儲器（HBM）集成：3.5D技術通過2.5D硅中介層將高帶寬存儲器（HBM）與CPU/GPU緊密集成在一起。HBM提供了極高的內存帶寬，這對于AI訓練和推理任務中的大規(guī)模并行數據操作至關重要。例如，MI300X加速器支持高達5324.8 GB/s的HBM3峰值內存帶寬，相比上一代產品（如MI250X）提升了約62%。

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

3.能效提升

低功耗互連：銅-銅混合鍵合技術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，銅-銅混合鍵合技術可以實現更高的能效比。

模塊化設計：3.5D技術的模塊化設計允許根據不同的應用需求進行靈活配置，從而在性能和功耗之間實現更好的平衡。例如，MI300A和MI300X分別針對HPC和AI應用進行了優(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技術通過將多個功能模塊（如CPU、GPU、HBM等）緊密集成在一個封裝內，減少了芯片之間的通信延遲，提高了系統(tǒng)的整體性能。

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

AI加速器性能提升具體數據：

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訓練和推理任務中的整體性能顯著提升，特別是在處理大規(guī)模并行數據操作時表現尤為突出。

AMD的3.5D技術通過高密度互連、多芯片集成、高帶寬內存和模塊化設計，顯著提升了AI加速器的性能。具體來說，3.5D技術在計算性能、內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雜的AI訓練和推理任務。這種技術不僅提高了系統(tǒng)的整體性能，還為未來的高性能計算和人工智能應用提供了強大的支持。

3.5D封裝與AI訓練降本

3.5D技術通過多種方式降低了AI訓練的成本，主要體現在硬件設計、制造成本、功耗和運營成本等方面。

1.硬件設計與制造成本

模塊化設計：3.5D技術采用模塊化設計，允許將不同的功能模塊（如CPU、GPU、HBM等）集成到一個封裝中。這種設計不僅提高了系統(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應用進行了優(yōu)化，通過模塊化設計，可以在不同的產品中復用相同的芯片模塊，減少了開發(fā)成本。

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

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

2.功耗與運營成本

低功耗互連：3.5D技術通過銅-銅混合鍵合技術實現了高密度、低功耗的互連。相比傳統(tǒng)的微凸點（μbump）技術，銅-銅混合鍵合技術可以顯著降低互連功耗。這對于長時間運行的AI訓練任務尤為重要，因為低功耗意味著更低的運營成本和更高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

高能效：3.5D技術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訓練任務中的能效比顯著高于上一代產品。高能效不僅降低了功耗，還減少了散熱需求，進一步降低了運營成本。

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

3.系統(tǒng)級優(yōu)化

緊密集成：3.5D技術通過將多個功能模塊（如CPU、GPU、HBM等）緊密集成在一個封裝內，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)復雜性和維護成本。

高性能與高密度：通過3D堆疊和2.5D硅中介層的結合，3.5D技術在相同的封裝尺寸內集成了更多的計算資源，從而提高了計算密度和性能。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，還減少了數據中心的物理空間需求，降低了數據中心的建設和運營成本。

快速上市時間：3.5D技術的模塊化設計和小芯片架構允許快速開發(fā)和部署新的產品，從而縮短了產品上市時間?？焖偕鲜袝r間不僅提高了市場競爭力，還降低了開發(fā)和運營成本。

3.5D技術通過模塊化設計、小芯片架構、低功耗互連、高能效設計和系統(tǒng)級優(yōu)化，顯著降低了AI訓練的成本。具體來說，3.5D技術在硬件設計、制造成本、功耗和運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雜的AI訓練任務。這種技術不僅提高了系統(tǒng)的整體性能，還為未來的高性能計算和人工智能應用提供了強大的支持。

采用3.5D封裝架構創(chuàng)新不僅延續(xù)了摩爾定律的經濟效益，更開創(chuàng)了"超越摩爾"的新技術路徑，為下一代計算平臺提供核心支撐。