对于任何试图将半导体工艺推进至埃米级的晶圆厂而言,GAA和背面供电似乎都成了逃不开的两大技术。GAA和背面供电在满足芯片性能标准的同时,进一步改善了功耗和面积,可以说是高端芯片下一轮实现PPA全面提升的关键。
目前绝大多数晶圆厂已经确定了GAA这一晶体管架构上改变,然而在背面供电何时投入应用上,头部三大晶圆厂却没那么坚定。背面供电技术可以有效改善供电线路的空间占用,并减少电力传输过程中造成的损失。照理说这种供电网络方式的改进应该大力普及,但绝大多数晶圆厂似乎都更愿意将这一技术推迟至2nm甚至更晚的节点上。
英特尔:率先实现背面供电,与RibbonFET同步
作为才进入晶圆代工市场没多久,且此前在工艺水平上落后不少的英特尔,却成了背面供电技术的先行者。在2024年上半年投产的20A节点上,英特尔将成为业界shou个将背面供电技术应用于量产节点的厂商,而该节点也将首次引入英特尔的GAA版本,RibbonFET晶体管。
早在去年,英特尔就在Blue Sky Creek这一测试芯片验证了PowerVia背面供电技术的优势。Blue Sky Creek是基于英特尔去年底发布的Meteor Lake处理器中能效核(E-Core)打造的,在PowerVia的设计下,he心频率有了5%以上的提升,单元密度达到90%以上。
根据英特尔说法,由于PowerVia这类背面供电技术减少了互联层这个生产成本zui高、工序较为复杂的部分,也就意味着在先进工艺上的制造成本会有所减少,同时EUV参与的工作量也会一并减少。
尽管如此,良率依然是英特尔zui关心的,要想真正做到大规模量产,良率达标才是该工艺节点正式投入使用的标志。英特尔在去年试验阶段的目标是让基于PowerVia的Intel 4芯片与九个月前的Intel 4芯片良率匹配。随后在Intel 20A上达到类似的良率目标,并用于今年发售的Arrow Lake处理器上。
台积电:2025年进入开始采用GAAFET,但背面供电缺席2nm
今年4月的北美技术研讨会上,台积电也对其工艺路线图进行了更新,不过在时间节点上的计划并没有改变:基于di一代GAAFET技术的N2节点将于2025年下半年开始量产,而新能改良版的N2P将于2026年末接替N2的位置,同年也会推出电压加强版的N2X节点。
根据英特尔说法,由于PowerVia这类背面供电技术减少了互联层这个生产成本zui高、工序较为复杂的部分,也就意味着在先进工艺上的制造成本会有所减少,同时EUV参与的工作量也会一并减少。
尽管如此,良率依然是英特尔zui关心的,要想真正做到大规模量产,良率达标才是该工艺节点正式投入使用的标志。英特尔在去年试验阶段的目标是让基于PowerVia的Intel 4芯片与九个月前的Intel 4芯片良率匹配。随后在Intel 20A上达到类似的良率目标,并用于今年发售的Arrow Lake处理器上。
台积电:2025年进入开始采用GAAFET,但背面供电缺席2nm
今年4月的北美技术研讨会上,台积电也对其工艺路线图进行了更新,不过在时间节点上的计划并没有改变:基于di一代GAAFET技术的N2节点将于2025年下半年开始量产,而新能改良版的N2P将于2026年末接替N2的位置,同年也会推出电压加强版的N2X节点。
在2024年之前,三星的计划是在SF1.4这一1.4nm节点上用上背面供电技术,如果以过去的工艺路线图来看,三星在2027年才会将背面供电技术集成在zui新工艺上,明显要晚于另外两家竞争对手。但三星在背面供电技术上的研究早就开始了,去年他们也为两个基于Arm架构的测试芯片实现了背面供电,虽然并没有透露工艺节点,但三星表示在测试的两个节点下分别实现了10%和19%的芯片面积减少。
然而在近日举办的三星北美SFF大会上,三星发布了全新的工艺路线图,主要是在2nm节点上进行了更新。从原先的SF2和SF2P两个节点,再增加三个节点,分别是SF2X、SF2Z和SF2A。其中SF2和SF2P依然是针对移动应用打造,而SF2X和SF2Z则是为了HPC/AI应用打造,同时三星也把背面供电率先集成在SF2Z上,SF2A则是针对汽车应用打造的节点。
SF2和SF2P两大节点分别计划25年和26年量产,SF2X计划26年量产,而SF2Z和SF2A分别定在27年量产。由此看来,虽然路线图有所更新,但三星依然是zui后一个用上背面供电技术的晶圆厂,作为从2022年起就开始生产GAA的晶圆厂,三星在GAA的技术成熟度上应该不输其他两家。
三星在本次SFF大会上,也再次保证1.4nm的SF1.4工艺准备工作仍在稳步进行,性能和良率目标不变,且与SF2Z一样,预计于2027年进入大规模量产。作为“超越摩尔”工作的一环,三星也在持续寻求材料和架构上的创新,从而在1.4nm之后的工艺上实现突破。
被谨慎对待的背面供电技术
与传统的正面供电技术相比,背面供电技术无疑可以提高芯片性能,有的甚至还能进一步降低成本,但在技术成熟前,晶圆厂面临的是良率、可靠性、散热和调试性能上可能存在的多重问题,所以绝大多数晶圆厂仍在权衡,或许今年下半年英特尔推出的Arrow Lake处理器能给我们一个参考。
与此同时,晶体管密度也可能不再是划分先进与成熟工艺的wei一标准,从这三家厂商的路线图来看,即便未来进一步改进的3nm或4nm节点,很可能还是会继续使用FinFET和传统正面供电技术。