玻璃基板可能大幅降低下一代AI芯片的功耗

古老材料在现代芯片中的应用

玻璃作为人类的基础材料已有数千年历史。如今，它正要进入世界最先进的数据中心使用的AI芯片——不是作为容器或窗口，而是作为处理器芯片被安装和互连的结构基础。南韩公司Absolics正在开始商业生产专门设计用作先进封装基板的玻璃面板，分析师认为该技术可能会显著降低AI计算的能源需求，同时提高性能。

Intel是推进玻璃基板技术的主要芯片公司之一，其他公司也在试验用这种材料替代目前作为大多数计算机芯片骨干的有机树脂基板。如果成功，这一转变将代表半导体封装中数十年来最重要的材料创新之一——其重要性可与20世纪90年代将芯片性能转变的键合导线到覆晶封装的转变相比。

芯片基板的作用

芯片基板是半导体晶片被安装的层，并通过它连接到下面的电路板。基板同时提供多个功能：它们提供机械支撑，将热量从芯片传导走，并承载连接处理器与内存、电源电路和其他组件的密集电气连接网络。

目前的有机基板——由玻璃纤维和环氧树脂的组合制成——是有效的，但有重大局限性。它们随温度变化而膨胀和收缩的方式可能会对芯片与基板之间的微细连接造成应力。它们的电气特性限制了连接的紧密程度和信号传输的速度。在制造过程中它们会发生机械翘曲，使最密集的现代芯片封装的组装变得复杂。

玻璃为何不同

玻璃基板提供了多种特性来解决有机基板的局限性。与有机材料相比，玻璃随温度变化的膨胀和收缩远少得多，减少了随时间导致焊接点失效的热应力。玻璃可以以比有机基板高得多的尺寸精度生产——更平坦、更均匀——使芯片安装容差更紧，减少缺陷封装的数量。

对于AI应用，最重要的是玻璃相比有机替代品能实现更高密度的互连。玻璃中可以创建更小的孔——称为玻璃通孔——而不是当前封装中使用的硅通孔或有机通孔，允许在更小的空间内打包更多连接。更多的连接意味着处理器与其内存之间的数据传输更快，这目前是限制AI芯片性能的主要瓶颈之一。

能效角度

AI数据中心消耗大量电力——一次大型语言模型训练运行可以消耗与数千户家庭数周相同的电力。该能源的重要部分不是消耗在计算本身，而是在处理器和内存之间移动数据。基本限制是通过电子连接的数据传输散发的热能与传输距离和遍历的连接数量成正比。

玻璃基板实现的更紧密互连减少了数据必须传输的距离，并支持更低电压信号传输，这两者都减少了每比特传输的能量。如果玻璃封装能将互连功耗降低20-30%，对数百万个数据中心芯片的总体影响将是巨大的——既在能源节省中，也在减少移除废热所需的冷却基础设施中。

制造挑战

玻璃基板的制造并非没有挑战。玻璃易碎，需要与有机材料不同的处理技术。创建高密度互连所需的精确玻璃通孔需要激光钻孔和化学蚀刻过程，这比有机基板制造中的类似步骤更复杂。从头开始建立供应链——玻璃生产、通孔形成、金属化和组装——是一个多年的工业努力。

Absolics进入商业生产代表了玻璃基板首次在工业规模上可用，而不仅仅是研究演示。Intel对该技术的投资，该公司已公开讨论作为其重获半导体领导地位路线图的一部分，为新兴供应链提供了验证和主要潜在客户。

路线图

行业分析师预计玻璃基板首先会出现在最高性能的AI加速器芯片中，在这些芯片中，性能和效率优势足以证明溢价制造成本的合理性。随着供应链成熟和产量增加，成本应该下降，最终使玻璃基板在更广泛的应用中与有机替代品竞争。

如果这项技术在规模上被证明有效，它可能成为在未来五到十年内用于AI加速器、高性能CPU和最终消费电子产品的芯片封装堆栈的标准元素——又是一个利基工业材料通过高性能计算的需求变得无处不在的例子。

本文基于MIT Technology Review的报道。阅读原始文章。