性能好于臺(tái)積電3納米！英特爾公布Intel 4工藝技術(shù)細(xì)節(jié)
發(fā)布人：旺材芯片
時(shí)間：2022-06-21
來(lái)源：工程師
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來(lái)源：EETOP
英特爾將在 VLSI 技術(shù)會(huì)議上展示他們的Intel 4工藝。近期，來(lái)自英特爾的 Bernhard Sell (Ben) 向媒體簡(jiǎn)要介紹了Intel 4這一工藝，并為我們提供了早期訪問(wèn)該論文的機(jī)會(huì)。
“Intel 4 CMOS 技術(shù)采用先進(jìn)的 FinFET 晶體管，針對(duì)高密度和高性能計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化?！?/span>
該論文包括判斷工藝密度所需的關(guān)鍵間距，性能數(shù)據(jù)顯示在具有實(shí)際單位的圖上，并且討論提供了有關(guān)工藝的有用信息。英特爾已經(jīng)公布了未來(lái)四個(gè)節(jié)點(diǎn)（Intel 4、3、20A 和 18A）的路線圖，其中包含日期、設(shè)備類型和性能改進(jìn)目標(biāo)。他們現(xiàn)在正在提供有關(guān)Intel 4的更多詳細(xì)信息。相比之下，三星面臨著從 3nm 開(kāi)始的風(fēng)險(xiǎn)，并且已經(jīng)披露了 PPA（功率、性能和面積）目標(biāo)，但沒(méi)有其他細(xì)節(jié)，對(duì)于 2nm，他們已經(jīng)披露這將是他們的第三個(gè)新一代 Gate All Around (GAA) 技術(shù)將于 2025 年到期，但沒(méi)有性能目標(biāo)。臺(tái)積電已經(jīng)披露了目前處于風(fēng)險(xiǎn)啟動(dòng)中的 3nm 的 PPA，對(duì)于 2nm，風(fēng)險(xiǎn)啟動(dòng)日期已經(jīng)披露，但沒(méi)有關(guān)于性能或設(shè)備類型的信息。在深入了解 Intel 4 的細(xì)節(jié)之前，我想評(píng)論一下這個(gè)制程的目標(biāo)。當(dāng)我們仔細(xì)研究細(xì)節(jié)時(shí)，很明顯這個(gè)過(guò)程是針對(duì)英特爾內(nèi)部用于制造計(jì)算塊（compute tiles）的，它不是一個(gè)通用的代工工藝。Intel 4 將于今年晚些時(shí)候發(fā)布，Intel 3 將于明年發(fā)布；Intel 3 是英特爾代工服務(wù)的重點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，Intel 4 沒(méi)有I/O Fin，因?yàn)樵趦H與基板上的其他芯片通信的計(jì)算塊上，這毫無(wú)用處。并且Intel 4 僅提供高性能單元并且沒(méi)有高密度單元。Intel 3 將提供 I/O Fin和高密度單元，以及更多的 EUV 使用和更好的晶體管和互連。Intel 3 旨在成為Intel 4 的簡(jiǎn)單端口。Intel 4 使用目標(biāo)在深入了解 Intel 4 的細(xì)節(jié)之前，我想評(píng)論一下這個(gè)工藝制程的目標(biāo)。當(dāng)我們了解細(xì)節(jié)時(shí)，很明顯這個(gè)過(guò)程是針對(duì)英特爾內(nèi)部用于制造計(jì)算塊（compute tiles）的，它不是一個(gè)通用的代工工藝。Intel 4將于今年晚些時(shí)候發(fā)布，Intel 3將于明年發(fā)布；Intel 3是英特爾代工服務(wù)的重點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，Intel 4沒(méi)有 I/O 鰭，因?yàn)樗鼈儾恍枰趦H與基板上的其他芯片通信的計(jì)算塊上，并且Intel 4僅提供高性能單元并且沒(méi)有高密度單元。Intel 3 將提供 I/O 鰭片和高密度單元，以及更多的 EUV 使用和更好的晶體管和互連。工藝密度任何讀過(guò)我以前的文章和比較的人都知道我非常強(qiáng)調(diào)密度。在 Intel 4 論文的圖 1 中，他們披露了 Intel 4 的關(guān)鍵間距并將其與 Intel 7 進(jìn)行比較，見(jiàn)圖 1。
圖 1. Intel 4 與 7 間距
Intel 7的高性能單元高度 (CH) 為 408 納米，Intel 4為 240 納米。Intel 7 的 Contacted Poly Pitch (CPP) 為 60，Intel 4 為 50，Intel 7 的 CH 和 CPP 的乘積為 24,480nm 2，Intel 4 為12,000nm 2，為高性能提供了約 2 倍的密度提升單元。與 Intel 7 相比，Intel 4 的每wall性能提高了 20%，高密度 SRAM 擴(kuò)展了 0.77 倍。為了更好地了解英特爾最近的工藝進(jìn)展是有用的。我們給出了四代英特爾 10nm 工藝總結(jié)，如圖2。
圖 2. Intel 10nm
TechInsights 于 2018 年 7 月首次分析了英特爾 10nm，并將其稱為第 1 代， TechInsights 于 2019 年 12 月完成的另一次 10nm 分析，發(fā)現(xiàn)相同的密度但不同的鰭片結(jié)構(gòu)，我們將其稱為第 2 代。2021 年 1 月，TechInsights 分析了 10nm Super Fin 部件提供 60nm CPP 選項(xiàng)以提高性能以及原始 54nm CPP（第 3 代）。最終在 2022 年 1 月，TechInsights 分析了 10nm 增強(qiáng)型 Super Fin 部件，英特爾現(xiàn)在稱之為Intel 7（10nm 第 4 代）。關(guān)于Intel 7分析結(jié)果的一件有趣的事情是 TechInsights 僅在邏輯區(qū)域發(fā)現(xiàn) 60nm CPP，沒(méi)有 54nm CPP 和更高的單元。我描述工藝密度的政策是以工藝上可用的最密集的單元為基礎(chǔ)。對(duì)Intel 7來(lái)說(shuō)，高272納米的54納米CPP單元是 "可用的"，但沒(méi)有使用，而高408納米的單元與60納米的CPP產(chǎn)生的晶體管密度為每平方毫米約6500萬(wàn)個(gè)晶體管（Mtx/mm2）。因此，我們?nèi)绾螌⒂⑻貭?號(hào)與前幾代工藝和即將推出的英特爾3號(hào)工藝相比較，見(jiàn)圖3。我表征工藝密度的策略是基于工藝中可用的最密集單元。對(duì)于 Intel 7，272nm 高的 54nm CPP 單元“可用”但未使用，而 408nm 高單元和 60nm CPP 產(chǎn)生的晶體管密度為每平方毫米約 6500 萬(wàn)個(gè)晶體管，而前幾代約為 100 MTx/mm2。那么我們?nèi)绾螌ntel 4與上一代工藝和即將推出的Intel 3工藝進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖 3。
另一個(gè)有趣的比較是Intel 4 高性能單元尺寸與 TSMC 5nm 和 3nm 的高性能單元尺寸，見(jiàn)圖 4。
對(duì)于 Intel 4，CPP 為 50nm，M2P 為 45nm（在簡(jiǎn)報(bào)中披露，但未在論文中），對(duì)于引用的 240nm CH 和 CPP x CH 為 12,000nm2，這產(chǎn)生的軌道高度僅為 5.33. 這些值與 4 名稱一致，因?yàn)樗挥陬I(lǐng)先的代工公司臺(tái)積電的 N5 和 N3 之間，想比臺(tái)積電 N5 ，Intel 4更接近臺(tái)積電 N3。我們也相信 Intel 4 的性能會(huì)略好于臺(tái)積電 N3。
令我驚訝的是，英特爾的高性能單元的高度剛好超過(guò) 5 條軌道，但這是公開(kāi)的單元高度和 M2P 的數(shù)學(xué)計(jì)算。
DTCO從設(shè)計(jì)-技術(shù)-協(xié)同優(yōu)化 (DTCO) 的角度來(lái)看，Intel 4比Intel 7有 3 項(xiàng)改進(jìn)：
- Contact Over Active Gate 針對(duì) Intel 4 進(jìn)行了優(yōu)化。
去除偽柵極的擴(kuò)散中斷過(guò)去需要兩個(gè)偽柵極（雙擴(kuò)散中斷），Intel 7 變?yōu)?1（單擴(kuò)散中斷）。
n 到 p 間距曾經(jīng)是兩個(gè)鰭片間距，現(xiàn)在是 1 個(gè)鰭片間距。當(dāng)我們?cè)?nbsp; M2P 和軌道方面談?wù)?CH 時(shí)，很容易忘記設(shè)備必須適應(yīng)相同的高度，圖 5 說(shuō)明了 n 到 p 間距如何影響單元高度。
性能表現(xiàn)Intel 10/7 提供 2 個(gè)閾值電壓（2 個(gè) PMOS 和 2 個(gè) NMOS = 總共 4 個(gè)）和 3 個(gè)閾值電壓（3 個(gè) PMOS 和 3 個(gè) NMOS = 總共 6 個(gè)）版本。Intel 4 提供 4 個(gè)閾值電壓（4 個(gè) PMOS 和 3 個(gè) NMOS = 8 個(gè)）。這導(dǎo)致功耗降低約 40%，性能提高約 20%。
我相信簡(jiǎn)報(bào)中提到的驅(qū)動(dòng)電流值對(duì)于 PMOS 是 2mA/μm，對(duì)于 NMOS是 2.5mA/μm。
EUV 使用EUV 用于工藝的后端和前端。英特爾將 EUV 的使用重點(diǎn)放在了單次 EUV 曝光可以取代多次浸沒(méi)式曝光的地方。盡管 EUV 曝光比浸入式曝光更昂貴，但用相關(guān)的沉積和蝕刻步驟代替多次浸入式曝光可以節(jié)省成本，提高周期時(shí)間和產(chǎn)量。事實(shí)上，Ben 提到單次 EUV 曝光導(dǎo)致 EUV 取代的部分中的步驟減少了 3-5 倍。Intel 7到Intel 4看到掩碼和步數(shù)減少。在生產(chǎn)線的前端，EUV 專注于替換復(fù)雜的切割、柵極或接觸。英特爾沒(méi)有明確披露 EUV 用于鰭片圖案化，但我們認(rèn)為Intel 7片鰭片圖案化涉及一個(gè)心軸掩模（英特爾稱其為光柵掩模）和 3 個(gè)切割掩模（英特爾稱這些掩模掩模）。對(duì)于 Intel 4，這可以很容易地轉(zhuǎn)換為 4 cut mask。沒(méi)有提到用單個(gè) EUV 掩模替換 4 個(gè)切割掩模的層，我們相信這可能就是發(fā)生這種情況的地方。
在論文中，英特爾提到 M0 是四重圖案。對(duì)于英特爾 10/7，英特爾還披露了四重圖案化，TechInsights 分析表明需要 3 個(gè)塊掩模。Intel 4可能需要 4 個(gè)用于 M0 的塊掩模，這可能是 EUV 消除 4 個(gè)切割/塊掩模的另一個(gè)地方。
網(wǎng)格布局用于互連以提高產(chǎn)量和性能。
我們相信在這個(gè)過(guò)程中使用了大約 12 次 EUV 曝光，但英特爾沒(méi)有透露這一點(diǎn)。
互連眾所周知，英特爾在 10nm 時(shí)為 M0 和 M1 選擇了鈷 (Co)。Co 提供比銅 (Cu) 更好的電遷移電阻，但電阻更高（作者指出，金屬的電遷移電阻與熔點(diǎn)成正比）。對(duì)于英特爾 4，英特爾采用了“增強(qiáng)型”銅方案，其中純銅被包裹在鈷中（過(guò)去英特爾摻雜銅）。將 Cu 封裝在 Co 中的典型流程是用 Co 層放置阻擋層，作為電鍍的種子。一旦電鍍完成并平坦化以形成互連，Cu 就會(huì)被 Co 覆蓋。該過(guò)程導(dǎo)致電遷移電阻與 Co 相比略有下降，但仍高于 10 年壽命目標(biāo)，并且線路的電阻降低。事實(shí)上，即使 Intel 4 的互連線比 Intel 7 的互連線更窄，RC 值仍然保持不變。
該工藝有 5 個(gè)增強(qiáng)銅層、2 個(gè)巨型金屬層和 11 個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”金屬層，共 18 層。
MIM caps隨著電力傳輸?shù)闹匾匀找嬖黾?，金?絕緣體-金屬 (MIM) 電容器被用于減少功率波動(dòng)，并不斷得到改進(jìn)。對(duì)于英特爾的 14nm 工藝，實(shí)現(xiàn)了 37 fF/μm 2，10nm 提高到 141 fF/μm 2 ，Intel 7提高到193 fF/μm 2 ，現(xiàn)在Intel 4提高了約 2 倍，達(dá)到 376 fF/μm 2。更高的值使 MIM 電容器具有更大的電容，從而提高功率穩(wěn)定性，而不會(huì)占用過(guò)多的空間。
生產(chǎn)基地在問(wèn)答環(huán)節(jié)中，Ben 還被問(wèn)及生產(chǎn)地點(diǎn)。他說(shuō)，最初的生產(chǎn)將在Hillsboro，然后是愛(ài)爾蘭。他說(shuō)他們沒(méi)有透露除此之外的其他生產(chǎn)計(jì)劃。
我們相信英特爾目前擁有約 10 到 12 個(gè) EUV 設(shè)備，直到最近它們都在 Hillsboro。其中一個(gè)設(shè)備現(xiàn)已移至愛(ài)爾蘭的 Fab 34，我們相信，隨著英特爾今年收到更多 EUV設(shè)備，他們將能夠擴(kuò)大 Fab 34。今年晚些時(shí)候，我們預(yù)計(jì)以色列的 Fab 38 將開(kāi)始加速生產(chǎn)，我們相信這將成為下一個(gè)英特爾 4/3 生產(chǎn)基地。隨后在 2023 年下半年，亞利桑那州的 Fab 52 和 62 應(yīng)該開(kāi)始接收 EUV設(shè)備。
產(chǎn)量和準(zhǔn)備情況在整個(gè)簡(jiǎn)報(bào)中，我們聽(tīng)到的關(guān)于產(chǎn)量的一切都是“健康的”和“按計(jì)劃進(jìn)行的”。Meteor Lake 計(jì)算塊已啟動(dòng)并在進(jìn)程中運(yùn)行。該工藝已準(zhǔn)備好在明年下半年生產(chǎn)。結(jié)論我對(duì)這個(gè)過(guò)程印象深刻。我越是將它與臺(tái)積電和三星的產(chǎn)品進(jìn)行比較，我的印象就越深刻。在 2000 年代和 2010 年代初，英特爾是邏輯處理技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，之后三星和臺(tái)積電以卓越的執(zhí)行力領(lǐng)先。如果英特爾繼續(xù)走上正軌并在明年發(fā)布Intel 3，他們將擁有一個(gè)在密度上具有競(jìng)爭(zhēng)力并且可能在性能上處于領(lǐng)先地位的代工工藝。英特爾還制定了 2024 年英特爾 20A 和 18A 的路線圖。三星和臺(tái)積電都將在 2024/2025 年推出 2nm 工藝，它們需要在 3nm 工藝上進(jìn)行重大改進(jìn)，以跟上英特爾的步伐。
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