2.5D- vs. 3D-Packaging: Chipintegration im Vergleich

Beide Ansätze bringen mehrere Chips in ein Gehäuse, um mehr Bandbreite zu erreichen, als eine Leiterplatte bieten kann. Beim 2.5D-Packaging sitzen die Chips nebeneinander auf einem Silizium-Interposer, der sie mit feinem Raster verdrahtet. Beim 3D-Packaging werden Chips übereinander gestapelt und durch das Silizium hindurch mit Through-Silicon-Vias (TSVs) oder per Hybrid-Bonding verbunden. 3D bietet die kürzesten Verbindungen, ist aber schwerer zu kühlen und zu fertigen.

Aspekt	2.5D	3D
Aufbau	Chips nebeneinander auf einem Silizium-Interposer (oder einer Silizium-Bridge)	Chips vertikal übereinander gestapelt
Verbindung	Mikro-Bumps zum Interposer, mit sehr feinen Verdrahtungslagen darin	TSVs durch die Chips, verbunden durch Mikro-Bumps oder per Hybrid-Bonding
Bandbreitendichte	Hoch	Am höchsten, weil die Verbindungen am kürzesten sind
Wärme	Einfacher: Jeder Chip kann von oben gekühlt werden	Schwieriger: Die Wärme der unteren Chips muss durch die darüberliegenden Chips abgeführt werden
Grundfläche	Größer: Der Interposer muss alle Chips aufnehmen	Kleiner
Fertigungsschwierigkeit	Erfordert einen großen Interposer, was die Kosten erhöht	Erfordert das Abdünnen der Wafer auf einige zehn Mikrometer, TSV-Herstellung und sorgfältiges Testen jedes Dies
Typische Beispiele	KI-GPUs mit HBM im selben Gehäuse (z. B. TSMC CoWoS)	HBM selbst (gestapelte DRAM-Dies) und gestapelter Cache auf einem Prozessor
Typische Anwendungen	Verbindung von Prozessoren, Speicher und Chiplets	Stapeln von Speicher oder von Logik und Cache für kürzeste Wege

Die Zahlenangaben sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welches einsetzen

2.5D: Wenn ein großer Prozessor mit mehreren Speicherstapeln oder Chiplets kombiniert und trotzdem leicht gekühlt werden soll.
3D: Wenn Verbindungslänge, Leistung und Grundfläche am wichtigsten sind, wie bei gestapeltem Speicher.
Zusammen: High-End-KI-Beschleuniger nutzen beides: HBM ist ein 3D-Stapel aus DRAM-Dies, der neben dem Prozessor auf einem 2.5D-Interposer platziert wird.

FAQ

Was ist ein Silizium-Interposer?

Eine Siliziumschicht mit sehr feiner Verdrahtung und oft TSVs, die mehrere nebeneinander platzierte Chips im 2.5D-Packaging verbindet.

Warum ist 3D-Packaging schwerer zu kühlen?

Die Wärme der unteren Chips muss durch die darüber gestapelten Chips abfließen, während im 2.5D-Aufbau jeder Chip von oben gekühlt werden kann.

Ist HBM 2.5D oder 3D?

Beides. HBM ist ein 3D-Stapel aus DRAM-Dies und wird neben dem Prozessor auf einem 2.5D-Interposer platziert.

Was ist ein TSV?

Ein Through-Silicon-Via ist eine vertikale Verbindung durch einen abgedünnten Siliziumchip, die zur Verbindung gestapelter Chips dient.

Wichtige Begriffe erklärt

2,5D-Integration (2.5D Packaging): Mehrere Chips werden nebeneinander auf einem Zwischensubstrat wie einem Silizium-Interposer platziert und über dichte, feine Verdrahtung verbunden. Sie wird z. B. zur Verbindung von GPUs und HBM verwendet.
3D-Integration (3D Packaging): Chips werden vertikal gestapelt und über TSVs oder Hybrid-Bonden verbunden. Kürzere Verbindungen verbessern Geschwindigkeit und Verbrauch, aber die Wärmeabfuhr wird zur Herausforderung.
TSV (Silizium-Durchkontaktierung): Through-Silicon Via. Eine Elektrode, die das Siliziumsubstrat durchdringt. Sie verbindet gestapelte Chips über kurze Distanz vertikal.
Silizium-Interposer (silicon interposer): Zwischenträger aus Silizium, der Chips nebeneinander hält und sie dicht mit feiner Verdrahtung verbindet. Er dient unter anderem zur Verbindung von GPUs und HBM.
Chiplet: Ein kleiner Chip für eine bestimmte Funktion. Mehrere Chiplets werden in einem Gehäuse verbunden und bilden ein größeres System.