英特爾希望在2024年超越其芯片制造競爭對手

來源：半導體芯科技編譯

過去五年來，英特爾在先進芯片制造方面一直落后于臺積電和三星。現(xiàn)在，為了重新奪回領(lǐng)先地位，該公司正在采取大膽且冒險的舉措，在其臺式機和筆記本電腦Arrow Lake處理器中引入兩項新技術(shù)，該處理器將于2024年末推出。英特爾希望憑借新的晶體管技術(shù)和首創(chuàng)的電力輸送系統(tǒng)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，公司的芯片生產(chǎn)卻有著一段坎坷的過去：2018年，英特爾未能按時交付首款10納米CPU，該芯片的生產(chǎn)被推遲了一年，導致使用其14納米制造的CPU出現(xiàn)短缺。2020年，7納米節(jié)點（更名為Intel 4）再次出現(xiàn)延遲。從那時起，公司就一直處于追趕狀態(tài)。

英特爾的納米片晶體管RibbonFET將取代當今的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，因為它們的柵極完全包圍通道區(qū)域。英特爾預計，在即將推出的英特爾20A處理節(jié)點（該公司最新的半導體制造工藝技術(shù)）中引入RibbonFET后，能源效率將提高高達15%。20A中的“A”指的是埃（angstrom），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）是一個更加重大的變化。Chris Auth表示：“自從Robert Noyce制造出第一個集成電路以來，一切都在互連的前端”，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，因為電源線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。

Imec邏輯技術(shù)副總裁Julien Ryckaert說道：“這是一個新的領(lǐng)域，”轉(zhuǎn)向納米片技術(shù)是一種傳統(tǒng)做法，但Ryckaert預計將有機會通過背面電源實現(xiàn)創(chuàng)新的新功能。

同時使用兩種技術(shù)

大約五年前，英特爾決定同時推出這兩種技術(shù)，大約在同一時間它失去了對競爭對手的領(lǐng)先優(yōu)勢。通常，這些類型的項目需要長達十年的時間。隨著英特爾越來越接近實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節(jié)點引入其中一種，公司決定將這些技術(shù)配對。Auth表示，兩者都被視為實現(xiàn)英特爾雄心勃勃的目標（到2025年重新奪回處理技術(shù)領(lǐng)先地位）的“重要關(guān)鍵點”。

TechInsights副主席Dan Hutcheson表示：“英特爾曾經(jīng)是保守派?！贝饲?，臺積電的冒險精神更加激進，失敗的幾率也更高。Hutcheson解釋說，現(xiàn)在情況發(fā)生了轉(zhuǎn)變。“試圖同時實施兩項重大技術(shù)變革是一個非常冒險的舉動，而在過去，這往往會導致災難”。

Hutcheson補充道，英特爾的創(chuàng)新需要通過可靠的生產(chǎn)來實現(xiàn)，以吸引和留住客戶，特別是當它繼續(xù)通過分離制造和產(chǎn)品組將其業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向半導體代工模式時。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“基本上是把賭注壓在兩年以后”。

鑒于英特爾在10納米節(jié)點上遇到的挫折和延遲，公司高管非常清楚他們所承擔的風險。Auth說，雖然這個行業(yè)“建立在承擔風險的基礎(chǔ)上”，但“在這個經(jīng)歷中，我們承擔了太多的風險，我們肯定也認識到了這個錯誤?！?/p>

因此，為了降低即將推出的20A節(jié)點所涉及的風險，英特爾添加了一個內(nèi)部節(jié)點，將PowerVia與當前一代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)部踏腳石使公司能夠測試背面電力傳輸并解決工藝和設(shè)計方面的所有問題。

例如，在工藝方面，英特爾需要弄清楚如何利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，另一個挑戰(zhàn)是在處理硅晶圓的兩面時保持芯片圖案化所需的光滑表面。

斯坦福大學電氣工程教授Mark Horowitz表示，考慮到對制造精度的要求更高，因此要考慮預計成本。從歷史上看，隨著制造商采用更好的技術(shù)，每個晶體管的成本會下降?，F(xiàn)在，這些成本改進總體上已趨于穩(wěn)定。Horowitz說，“晶體管的價格不再像以前變化的那么快了”。

同時，設(shè)計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習成果?！崩?，工程師必須重新學習如何發(fā)現(xiàn)缺陷和正確散熱。盡管學習曲線陡峭，英特爾預計新技術(shù)的組合將帶來顯著的好處。

Imec的Ryckaert表示，隨著每一項進步都解決了縮放的獨立問題，新的晶體管和電力傳輸網(wǎng)絡(luò)可以被視為互補。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進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)。Ryckaert預測，“很快，我們就會看到納米片飽和”。

英特爾預計將于2024年上半年準備好生產(chǎn)20A。臺積電計劃于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）預計將于2026年開始生產(chǎn)。三星已于2022年在其3納米節(jié)點中引入納米片晶體管，但尚未正式宣布實施背面供電的時間表。

Hutcheson認為，所有芯片制造商都在走向背面電源的同一道路上。英特爾只是第一個邁出這一步的人。他說，如果公司成功了，這種風險可能會讓它重新獲得領(lǐng)先地位。“這有很多因素?！?/p>

審核編輯：湯梓紅