英特爾的豪賭：一口氣推出兩項(xiàng)新技術(shù)

過去五年，英特爾在先進(jìn)芯片制造方面落后于臺積電和三星?，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。英特爾也希望通過新的晶體管技術(shù)和第一個(gè)電力傳輸系統(tǒng)來超越競爭對手。

英特爾技術(shù)開發(fā)副總裁兼高級晶體管開發(fā)總監(jiān) Chris Auth 表示，在過去的二十年里，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)域周圍，為 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，就像之前芯片命名約定中的“納米”一樣，它不再指產(chǎn)品中的特定測量值。

引入新的供電方案（通常稱為背面供電，英特爾稱之為 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，一切都在互連的前端，”Auth 說。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。這種去耦很重要，因?yàn)殡娫淳€和信號線有不同的優(yōu)化：雖然電源線在低電阻、高規(guī)格的電線上表現(xiàn)最佳，但信號線之間需要更多的空間，以確保最小的干擾。

“這是一個(gè)新的游樂場，”Imec 邏輯技術(shù)副總裁 Julien Ryckaert 說道。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)會通過背面電源實(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)間它失去了對競爭對手的領(lǐng)先優(yōu)勢。通常，這些類型的項(xiàng)目需要長達(dá)十年的時(shí)間。隨著英特爾越來越接近實(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)先于競爭對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。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，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，而在過去，這往往會導(dǎo)致災(zāi)難，”他說。

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

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，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。根據(jù) 2023 年 6 月發(fā)布的測試結(jié)果，僅添加 PowerVia 就帶來了 6% 的性能提升。這一內(nèi)部踏腳石使該公司能夠測試背面電力傳輸并解決工藝和設(shè)計(jì)方面的任何問題。

例如，在工藝方面，英特爾需要弄清楚如何使用稱為硅通孔的納米尺寸垂直連接器正確對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)晶體管的成本會下降?，F(xiàn)在，這些成本改進(jìn)總體上已趨于穩(wěn)定。“晶體管的價(jià)格不再像以前那么快了，”霍洛維茨說。

同時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須重新考慮互連線和布局。Auth 表示，通過使用 PowerVia 將電源線移至芯片背面，“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)曲線陡峭，英特爾預(yù)計(jì)新技術(shù)的組合將帶來顯著的好處。

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 到納米片過渡期間引入背面電源的決定是為了吸引客戶，通過提供比任何一項(xiàng)進(jìn)步本身所能帶來的更顯著的好處。未來幾代人可能不會使用納米片晶體管技術(shù)?！昂芸欤覀兙蜁吹郊{米片的飽和，”Ryckaert 預(yù)測。

英特爾預(yù)計(jì)將于 2024 年上半年準(zhǔn)備好生產(chǎn) 20A。臺積電計(jì)劃于 2025 年初開始采用其 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，如果該公司成功了，這種風(fēng)險(xiǎn)可能會讓它重新獲得領(lǐng)先地位。“這有很多事情。”

來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察