臺積電、英特爾、三星背面供電技術淺析
2024-05-09 11:28:33 technews(臺)隨著摩爾定律的演進，晶體管越來越小，密度越來越高，堆疊層數也越來越多，可能需要穿過10~20層堆棧才能為下方晶體管提供電源和數據信號，這導致互聯機和電源線共存的線路層變成了一個越來越混亂的網絡。同時，電子在向下傳輸的過程中，會出現IR壓降現象，導致電力損失產生。
除了電力損失，供電線路占用空間也是問題。芯片電源線路布線復雜的后段制程，往往占至少20%資源，如何解決信號網絡跟供電網絡資源排擠問題，使組件微縮，變成芯片設計者主要挑戰，這就造成半導體業界開始把供電網絡轉移到芯片背面的原因。
晶圓代工龍頭臺積電日前在北美技術論壇發表A16制程，除了容納更多晶體管，提升運算效能，更降低能耗。更令人關切的，A16 導入結合超級電軌 （Super PowerRail） 架構與納米片晶體管，帶動運算速度更快、更有效率的數據中心處理器發展。A16 采不同芯片布線，向晶體管體輸送電力的電線位于晶體管下方而不是上方，稱為背面供電，有利生產更有效率的芯片。
優化處理器方法之一是緩解IR壓降，這會降低芯片晶體管接收電壓，降低性能。A16 電線不太容易電壓下降，不僅簡化電力分配，還允許芯片電路更緊密封裝，目標是處理器放入更多晶體管以提高運算能力。晶體管由四個主要組件組成，源極、汲極、通道和柵極。源極是電流流入晶體管的入口點，汲極是出口，通道和閘極依序負責協調電子的運動。
臺積電A16將電力傳輸線直接連接源極和汲極，決定更復雜設計是因有助提高芯片效能。超級電軌A16將較N2P相同Vdd（工作電壓），運算速度增加8%~10%，或相同運算速度，功耗降低15%~20%，芯片密度提升高達1.10倍，支持數據中心產品。
與臺積電超級電軌相同，英特爾也推出背后供電解決方案PowerVia。電源線原本可能占據芯片20%空間，但PowerVia背后供電節省空間，也意味互連層可更寬松。
英特爾團隊還特地制作 Blue Sky Creek 測試芯片證明，背后供電電源線和互連線可分離并線徑更大，以改善供電和信號傳輸。測試結果顯示，芯片大部分區域的標準單元利用率都超過90%，平臺電壓降低30%，并達成6%頻率提升，同時單元密度也大幅增加，并有望降低成本。PowerVia 測試芯片也展示良好的散熱特性，符合邏輯微縮預期將實現的更高功率密度。
PowerVia也計劃導入英特爾代工服務（IFS），客戶設計芯片能更快達能效和性能提升。英特爾PowerVia背后供電介紹，英特爾Intel 20A制程采PowerVia背后供電技術及RibbonFET全環繞柵極晶體管架構，上半年生產準備就緒，未來量產客戶端ARL平臺正在晶圓廠啟動步進（First Stepping）。
臺積電另一競爭對手三星除了率先轉型GAA晶體管技術，背后供電（BSPDN）也是三星追逐先進制程的殺手锏。先前韓國媒體報道，三星代工部門技術長Jung Ki-tae Jung曾宣布，2027年將背后供電用于1.4納米制程。
與傳統前端供電網絡相比，三星背后供電網絡使耗用晶圓面積減少14.8%，芯片空間更多，增加更多晶體管，提高整體性能，布線長度減少9.2%，有助降低電阻使更多電流通過，降低功耗，改善功率傳輸狀況。相關人士表示，背后供電半導體量產時間，可能會據客戶時程安排有不同，三星正在調查哪些客戶有需求。
來源：technews(臺)
關鍵詞： 背面供電技術
