英特尔希望在2024年超越其芯片制造竞争对手

来源：半导体芯科技编译

过去五年来，英特尔在先进芯片制造方面一直落后于台积电和三星。现在，为了重新夺回领先地位，该公司正在采取大胆且冒险的举措，在其台式机和笔记本电脑Arrow Lake处理器中引入两项新技术，该处理器将于2024年末推出。英特尔希望凭借新的晶体管技术和首创的电力输送系统超越竞争对手。

英特尔技术开发副总裁兼高级晶体管开发总监Chris Auth表示，在过去的二十年里，英特尔在晶体管架构的重大变革方面处于领先地位。然而，公司的芯片生产却有着一段坎坷的过去：2018年，英特尔未能按时交付首款10纳米CPU，该芯片的生产被推迟了一年，导致使用其14纳米制造的CPU出现短缺。2020年，7纳米节点（更名为Intel 4）再次出现延迟。从那时起，公司就一直处于追赶状态。

英特尔的纳米片晶体管RibbonFET将取代当今的FinFET技术。FinFET晶体管通过将晶体管的栅极从三侧（而不是一侧）缠绕在沟道区域周围，为CPU提供了低功耗要求和更高的逻辑电路密度。但随着FinFET尺寸的缩小，这些器件已接近其栅极控制电流能力的极限。纳米片晶体管（例如三星的多桥通道FET）可以提供更好的控制，因为它们的栅极完全包围通道区域。英特尔预计，在即将推出的英特尔20A处理节点（该公司最新的半导体制造工艺技术）中引入RibbonFET后，能源效率将提高高达15%。20A中的“A”指的是埃（angstrom），不过，就像之前芯片命名约定中的“纳米”一样，它不再指产品中的特定测量值。

引入新的供电方案（通常称为背面供电，英特尔称之为PowerVia）是一个更加重大的变化。Chris Auth表示：“自从Robert Noyce制造出第一个集成电路以来，一切都在互连的前端”，这将是制造商首次使用晶圆另一侧的表面，将功率与处理分开。这种去耦很重要，因为电源线和信号线有不同的优化：虽然电源线在低电阻、高规格的电线上表现最佳，但信号线之间需要更多的空间，以确保最小的干扰。

Imec逻辑技术副总裁Julien Ryckaert说道：“这是一个新的领域，”转向纳米片技术是一种传统做法，但Ryckaert预计将有机会通过背面电源实现创新的新功能。

同时使用两种技术

大约五年前，英特尔决定同时推出这两种技术，大约在同一时间它失去了对竞争对手的领先优势。通常，这些类型的项目需要长达十年的时间。随着英特尔越来越接近实施新的晶体管和电力传输网络，其高管发现这些时间表将发生交叉。因此，为了领先于竞争对手并避免等待下一个节点引入其中一种，公司决定将这些技术配对。Auth表示，两者都被视为实现英特尔雄心勃勃的目标（到2025年重新夺回处理技术领先地位）的“重要关键点”。

TechInsights副主席Dan Hutcheson表示：“英特尔曾经是保守派。”此前，台积电的冒险精神更加激进，失败的几率也更高。Hutcheson解释说，现在情况发生了转变。“试图同时实施两项重大技术变革是一个非常冒险的举动，而在过去，这往往会导致灾难”。

Hutcheson补充道，英特尔的创新需要通过可靠的生产来实现，以吸引和留住客户，特别是当它继续通过分离制造和产品组将其业务转向半导体代工模式时。他说，在代工模式中，客户信任制造商至关重要。由于从开发到交付产品的长期投资，客户“基本上是把赌注压在两年以后”。

鉴于英特尔在10纳米节点上遇到的挫折和延迟，公司高管非常清楚他们所承担的风险。Auth说，虽然这个行业“建立在承担风险的基础上”，但“在这个经历中，我们承担了太多的风险，我们肯定也认识到了这个错误。”

因此，为了降低即将推出的20A节点所涉及的风险，英特尔添加了一个内部节点，将PowerVia与当前一代FinFET配对。根据2023年6月发布的测试结果，仅添加PowerVia就带来了6% 的性能提升。这一内部踏脚石使公司能够测试背面电力传输并解决工艺和设计方面的所有问题。

例如，在工艺方面，英特尔需要弄清楚如何利用称为硅通孔的纳米尺寸垂直连接器正确对齐和连接芯片的正面和背面，该连接器的尺寸是以前连接器的1/500。Auth表示，另一个挑战是在处理硅晶圆的两面时保持芯片图案化所需的光滑表面。

斯坦福大学电气工程教授Mark Horowitz表示，考虑到对制造精度的要求更高，因此要考虑预计成本。从历史上看，随着制造商采用更好的技术，每个晶体管的成本会下降。现在，这些成本改进总体上已趋于稳定。Horowitz说，“晶体管的价格不再像以前变化的那么快了”。

同时，设计人员必须重新考虑互连线和布局。Auth表示，通过使用PowerVia将电源线移至芯片背面，“您将抵消大约七年的前端互连学习成果。”例如，工程师必须重新学习如何发现缺陷和正确散热。尽管学习曲线陡峭，英特尔预计新技术的组合将带来显著的好处。

Imec的Ryckaert表示，随着每一项进步都解决了缩放的独立问题，新的晶体管和电力传输网络可以被视为互补。他怀疑英特尔在FinFET到纳米片过渡期间引入背面电源的决定是为了吸引客户，通过提供比任何一项进步本身所能带来的更显著的好处。未来几代人可能不会使用纳米片晶体管技术。Ryckaert预测，“很快，我们就会看到纳米片饱和”。

英特尔预计将于2024年上半年准备好生产20A。台积电计划于2025年初开始采用其N2纳米片技术生产芯片。N2P芯片（具有背面供电的版本）预计将于2026年开始生产。三星已于2022年在其3纳米节点中引入纳米片晶体管，但尚未正式宣布实施背面供电的时间表。

Hutcheson认为，所有芯片制造商都在走向背面电源的同一道路上。英特尔只是第一个迈出这一步的人。他说，如果公司成功了，这种风险可能会让它重新获得领先地位。“这有很多因素。”

审核编辑：汤梓红