英特爾的豪賭：一口氣推出兩項(xiàng)新技術(shù)

過(guò)去五年，英特爾在先進(jìn)芯片制造方面落后于臺(tái)積電和三星?，F(xiàn)在，為了重新獲得領(lǐng)先地位，該公司正在采取大膽且冒險(xiǎn)的舉措，在臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦中引入兩項(xiàng)新技術(shù)的Arrow Lake 處理器將于 2024 年底推出。英特爾也希望通過(guò)新的晶體管技術(shù)和第一個(gè)電力傳輸系統(tǒng)來(lái)超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

英特爾技術(shù)開(kāi)發(fā)副總裁兼高級(jí)晶體管開(kāi)發(fā)總監(jiān) Chris Auth 表示，在過(guò)去的二十年里，英特爾在晶體管架構(gòu)的重大變革方面處于領(lǐng)先地位。然而，該公司的芯片生產(chǎn)卻有著一段坎坷的過(guò)去：2018年，英特爾未能按時(shí)交付首款10納米CPU，該芯片的生產(chǎn)被推遲了一年，導(dǎo)致使用其14納米制造的CPU出現(xiàn)短缺。2020 年，7 納米節(jié)點(diǎn)（更名為 Intel 4）再次出現(xiàn)延遲。從那時(shí)起，該公司就一直在追趕。

據(jù)介紹，英特爾即將推出的納米片晶體管 RibbonFET 將取代當(dāng)今的 FinFET 技術(shù)。FinFET 晶體管通過(guò)將晶體管的柵極從三側(cè)（而不是一側(cè)）纏繞在溝道區(qū)域周?chē)?，?CPU 提供了低功耗要求和更高的邏輯電路密度。但隨著 FinFET 尺寸的縮小，這些器件已接近其柵極控制電流能力的極限。納米片晶體管（例如三星的多橋通道 FET）可以提供更好的控制，因?yàn)樗鼈兊臇艠O完全包圍通道區(qū)域。英特爾預(yù)計(jì)，在即將推出的英特爾 20A 處理節(jié)點(diǎn)（該公司最新的半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)）中引入 RibbonFET 后，能源效率將提高高達(dá) 15%。20A 中的“A”指的是埃，不過(guò)，就像之前芯片命名約定中的“納米”一樣，它不再指產(chǎn)品中的特定測(cè)量值。

引入新的供電方案（通常稱(chēng)為背面供電，英特爾稱(chēng)之為 PowerVia）是一個(gè)更顯著的變化?！白詮牧_伯特·諾伊斯制造出第一個(gè)集成電路以來(lái)，一切都在互連的前端，”Auth 說(shuō)。這將是制造商首次使用晶圓另一側(cè)的表面，將功率與處理分開(kāi)。這種去耦很重要，因?yàn)殡娫淳€(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)有不同的優(yōu)化：雖然電源線(xiàn)在低電阻、高規(guī)格的電線(xiàn)上表現(xiàn)最佳，但信號(hào)線(xiàn)之間需要更多的空間，以確保最小的干擾。

“這是一個(gè)新的游樂(lè)場(chǎng)，”Imec 邏輯技術(shù)副總裁 Julien Ryckaert 說(shuō)道。轉(zhuǎn)向納米片技術(shù)是一種傳統(tǒng)做法，但 Ryckaert 預(yù)計(jì)將有機(jī)會(huì)通過(guò)背面電源實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的新功能。

同時(shí)使用兩種技術(shù)

大約五年前，英特爾決定同時(shí)推出這兩種技術(shù)，大約在同一時(shí)間它失去了對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。通常，這些類(lèi)型的項(xiàng)目需要長(zhǎng)達(dá)十年的時(shí)間。隨著英特爾越來(lái)越接近實(shí)施新的晶體管和電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，其高管發(fā)現(xiàn)這些時(shí)間表將發(fā)生交叉。因此，為了領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手并避免等待下一個(gè)節(jié)點(diǎn)引入其中一種，該公司決定將這些技術(shù)配對(duì)。Auth 表示，這兩者都被視為實(shí)現(xiàn)英特爾雄心勃勃的目標(biāo)（到 2025 年重新奪回處理技術(shù)領(lǐng)先地位）的“關(guān)鍵”。

TechInsights 副主席丹·哈奇森 (Dan Hutcheson) 表示：“英特爾曾經(jīng)是保守派。” 此前，臺(tái)積電的冒險(xiǎn)精神更加激進(jìn)，失敗的幾率也更高。哈奇森解釋說(shuō)，現(xiàn)在情況發(fā)生了轉(zhuǎn)變?！霸噲D同時(shí)實(shí)施兩項(xiàng)重大技術(shù)變革是一個(gè)非常冒險(xiǎn)的舉動(dòng)，而在過(guò)去，這往往會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難，”他說(shuō)。

Hutcheson 補(bǔ)充道，英特爾的創(chuàng)新需要通過(guò)可靠的生產(chǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以吸引和留住客戶(hù)，特別是當(dāng)它繼續(xù)通過(guò)分離制造和產(chǎn)品組將其業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體代工模式時(shí)。他說(shuō)，在代工模式中，客戶(hù)信任制造商至關(guān)重要。由于從開(kāi)發(fā)到交付產(chǎn)品的長(zhǎng)期投資，客戶(hù)“基本上押注農(nóng)場(chǎng)大約兩年后”。

鑒于英特爾在 10 納米節(jié)點(diǎn)上遇到的挫折和延遲，公司高管非常清楚他們所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)。奧特說(shuō)，雖然這個(gè)行業(yè)“建立在承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上”，但“在這個(gè)案例中，我們承擔(dān)了太多的風(fēng)險(xiǎn)，我們肯定認(rèn)識(shí)到了這個(gè)錯(cuò)誤。”

因此，為了降低即將推出的 20A 節(jié)點(diǎn)所涉及的風(fēng)險(xiǎn)，英特爾添加了一個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，將 PowerVia 與當(dāng)前一代 FinFET 配對(duì)。根據(jù) 2023 年 6 月發(fā)布的測(cè)試結(jié)果，僅添加 PowerVia 就帶來(lái)了 6% 的性能提升。這一內(nèi)部踏腳石使該公司能夠測(cè)試背面電力傳輸并解決工藝和設(shè)計(jì)方面的任何問(wèn)題。

例如，在工藝方面，英特爾需要弄清楚如何使用稱(chēng)為硅通孔的納米尺寸垂直連接器正確對(duì)齊和連接芯片的正面和背面，該連接器的尺寸是以前連接器的 1/500。Auth 表示，另一個(gè)挑戰(zhàn)是在處理硅晶圓的兩面時(shí)保持芯片圖案化所需的平坦表面。

斯坦福大學(xué)電氣工程教授馬克·霍洛維茨 (Mark Horowitz) 表示，考慮到對(duì)制造精度的要求更高，因此值得考慮預(yù)計(jì)成本。從歷史上看，隨著制造商采用更好的技術(shù)，每個(gè)晶體管的成本會(huì)下降?，F(xiàn)在，這些成本改進(jìn)總體上已趨于穩(wěn)定?！熬w管的價(jià)格不再像以前那么快了，”霍洛維茨說(shuō)。

同時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須重新考慮互連線(xiàn)和布局。Auth 表示，通過(guò)使用 PowerVia 將電源線(xiàn)移至芯片背面，“您將抵消大約七年的前端互連學(xué)習(xí)成果?！?例如，工程師必須重新學(xué)習(xí)如何發(fā)現(xiàn)缺陷和正確散熱。盡管學(xué)習(xí)曲線(xiàn)陡峭，英特爾預(yù)計(jì)新技術(shù)的組合將帶來(lái)顯著的好處。

Imec 的 Ryckaert 表示，隨著每一項(xiàng)進(jìn)步都解決了縮放的獨(dú)立方面，新的晶體管和電力傳輸網(wǎng)絡(luò)可以被視為互補(bǔ)。他懷疑英特爾在 FinFET 到納米片過(guò)渡期間引入背面電源的決定是為了吸引客戶(hù)，通過(guò)提供比任何一項(xiàng)進(jìn)步本身所能帶來(lái)的更顯著的好處。未來(lái)幾代人可能不會(huì)使用納米片晶體管技術(shù)?！昂芸?，我們就會(huì)看到納米片的飽和，”Ryckaert 預(yù)測(cè)。

英特爾預(yù)計(jì)將于 2024 年上半年準(zhǔn)備好生產(chǎn) 20A。臺(tái)積電計(jì)劃于 2025 年初開(kāi)始采用其 N2 納米片技術(shù)生產(chǎn)芯片。N2P 芯片（具有背面供電的版本）預(yù)計(jì)將于 2025 年開(kāi)始生產(chǎn)。2026 年。三星已于 2022 年在其 3 納米節(jié)點(diǎn)中引入納米片晶體管，但尚未正式宣布實(shí)施背面電源的時(shí)間表。

Hutcheson 認(rèn)為，所有芯片制造商都在走向背面電源的同一道路上。英特爾只是第一個(gè)邁出這一步的人。他說(shuō)，如果該公司成功了，這種風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)讓它重新獲得領(lǐng)先地位?！斑@有很多事情?！?/p>

來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀(guān)察