過去五年，英特爾在先進芯片制造方面落后于臺積電和三星。現在，為了重新獲得領先地位，該公司正在采取大膽且冒險的舉措，在臺式機和筆記本電腦中引入兩項新技術的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和第一個電力傳輸系統來超越競爭對手。

英特爾技術開發副總裁兼高級晶體管開發總監 Chris Auth 表示，在過去的二十年里，英特爾在晶體管架構的重大變革方面處于領先地位。然而，該公司的芯片生產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，該芯片的生產被推遲了一年，導致使用其14納米制造的CPU出現短缺。2020 年，7 納米節點（更名為 Intel 4）再次出現延遲。從那時起，該公司就一直在追趕。

據介紹，英特爾即將推出的納米片晶體管 RibbonFET 將取代當今的 FinFET 技術。FinFET 晶體管通過將晶體管的柵極從三側（而不是一側）纏繞在溝道區域周圍，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域。英特爾預計，在即將推出的英特爾 20A 處理節點（該公司最新的半導體制造工藝技術）中引入 RibbonFET 后，能源效率將提高高達 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）是一個更顯著的變化。“自從羅伯特·諾伊斯制造出第一個集成電路以來，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化：雖然電源線在低電阻、高規格的電線上表現最佳，但信號線之間需要更多的空間，以確保最小的干擾。

“這是一個新的游樂場，”Imec 邏輯技術副總裁 Julien Ryckaert 說道。轉向納米片技術是一種傳統做法，但 Ryckaert 預計將有機會通過背面電源實現創新的新功能。

同時使用兩種技術

大約五年前，英特爾決定同時推出這兩種技術，大約在同一時間它失去了對競爭對手的領先優勢。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絡，其高管發現這些時間表將發生交叉。因此，為了領先于競爭對手并避免等待下一個節點引入其中一種，該公司決定將這些技術配對。Auth 表示，這兩者都被視為實現英特爾雄心勃勃的目標（到 2025 年重新奪回處理技術領先地位）的“關鍵”。

TechInsights 副主席丹·哈奇森 (Dan Hutcheson) 表示：“英特爾曾經是保守派。” 此前，臺積電的冒險精神更加激進，失敗的幾率也更高。哈奇森解釋說，現在情況發生了轉變。“試圖同時實施兩項重大技術變革是一個非常冒險的舉動，而在過去，這往往會導致災難，”他說。

Hutcheson 補充道，英特爾的創新需要通過可靠的生產來實現，以吸引和留住客戶，特別是當它繼續通過分離制造和產品組將其業務轉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重要。由于從開發到交付產品的長期投資，客戶“基本上押注農場大約兩年后”。

鑒于英特爾在 10 納米節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。奧特說，雖然這個行業“建立在承擔風險的基礎上”，但“在這個案例中，我們承擔了太多的風險，我們肯定認識到了這個錯誤。”

因此，為了降低即將推出的 20A 節點所涉及的風險，英特爾添加了一個內部節點，將 PowerVia 與當前一代 FinFET 配對。根據 2023 年 6 月發布的測試結果，僅添加 PowerVia 就帶來了 6% 的性能提升。這一內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計方面的任何問題。

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，另一個挑戰是在處理硅晶圓的兩面時保持芯片圖案化所需的平坦表面。

斯坦福大學電氣工程教授馬克·霍洛維茨 (Mark Horowitz) 表示，考慮到對制造精度的要求更高，因此值得考慮預計成本。從歷史上看，隨著制造商采用更好的技術，每個晶體管的成本會下降。現在，這些成本改進總體上已趨于穩定。“晶體管的價格不再像以前那么快了，”霍洛維茨說。

同時，設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。” 例如，工程師必須重新學習如何發現缺陷和正確散熱。盡管學習曲線陡峭，英特爾預計新技術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方面，新的晶體管和電力傳輸網絡可以被視為互補。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。“很快，我們就會看到納米片的飽和，”Ryckaert 預測。

英特爾預計將于 2024 年上半年準備好生產 20A。臺積電計劃于 2025 年初開始采用其 N2 納米片技術生產芯片。N2P 芯片（具有背面供電的版本）預計將于 2025 年開始生產。2026 年。三星已于 2022 年在其 3 納米節點中引入納米片晶體管，但尚未正式宣布實施背面電源的時間表。

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，如果該公司成功了，這種風險可能會讓它重新獲得領先地位。“這有很多事情。”

來源：半導體行業觀察