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英特尔介绍最新 PowerVia 背面供电技术:降低功耗、提升效率和性能

2023/8/3 16:50:24 来源:IT之家 作者:孤城 责编:孤城

IT之家 8 月 3 日消息,英特尔今日发文介绍了 PowerVia 背面供电技术,该技术可帮助实现降低功耗、提升效率和性能,满足不断增长的算力需求。此外,背面供电技术提高了设计的简易性。

IT之家附英特尔 PowerVia 背面供电技术官方介绍:

Intel 20A 将是英特尔首个采用 PowerVia 背面供电技术及 RibbonFET 全环绕栅极晶体管的节点,预计将于 2024 年上半年实现生产准备就绪,应用于未来量产的客户端 ARL 平台,目前正在晶圆厂启动步进(First Stepping)。

接下来的 Intel 18A 也正在推进内部和外部测试芯片,有望在 2024 年下半年实现生产准备就绪。目前,Arm 已经和英特尔代工服务签署了涉及多代前沿系统芯片设计的协议,使芯片设计公司能够利用 Intel 18A 开发低功耗计算系统级芯片(SoC);英特尔也将采用 Intel 18A 为瑞典电信设备商爱立信打造定制化 5G 系统级芯片。

英特尔开发 PowerVia 背面供电技术的背景

一直以来,计算机芯片都是像披萨一样自下而上,层层制造的。芯片制造从最小的元件晶体管开始,然后逐步建立越来越小的线路层,用于连接晶体管和芯片的各个部分,这些线路被称为互连线。线路层中还包括给芯片供电的电源线。芯片完成后,把它翻转并封装起来。封装提供了与外部的接口,然后就可以把它放进计算机了。

这种方法遇到了各种问题。随着晶体管越来越小,密度越来越高,互连线和电源线共存的线路层变成了一个越来越混乱的网络,成为提升芯片整体性能的障碍。

英特尔技术开发副总裁 Ben Sell 曾参与开发 PowerVia。他说,这个问题之前不受重视,但“现在产生了巨大的影响”。简言之,功率和信号会衰减,需要变通的办法。

英特尔 PowerVia 背面供电技术的原理

英特尔和领先的芯片制造商都在努力研究“背面供电”,寻找将电源线移动到芯片“背面”的方法,从而使芯片“正面”只专注于互连

在 2023 年 VLSI 研讨会上,英特尔展示了制造和测试其背面供电解决方案 PowerVia 的过程,并取得了良好的性能测试结果。

告别披萨式的制造方式,芯片制造第一次涉及两个面。下面是 PowerVia 的原理:像以前一样,首先制造晶体管,然后添加互连层。接下来是一个有趣的环节:翻转晶圆并进行打磨,露出连接电源线的底层。

Sell 解释说,打磨后,“现在只有很少的金属层,都非常厚”。这里的“厚”指的是微米,留下了“非常直接的路径给晶体管供电”。

PowerVia 背面供电技术的价值和优势

Sell 证实,这种方法的好处是多方面的,超过了新工艺更高的复杂性带来的不利影响。例如,电源线可能占据芯片正面空间的 20%。因此,随着这些电源线的消失,互连层可以“宽松”一些。

好处不限于制造领域。为了证明这种方法,英特尔团队制作了称为 Blue Sky Creek 的测试芯片,该芯片基于英特尔即将推出的 PC 处理器 Meteor Lake 中的能效核 —— 证明 PowerVia 解决了披萨式旧方法造成的两个问题。现在电源线和互连线可以分离开来并做得更粗,同时改善供电和信号传输。

对于普通计算机用户来说,这意味着降低能效和提高速度。在降低功耗的情况下更快地完成工作,再次延续摩尔定律的承诺。正如第二篇论文总结的那样,“使用 PowerVia 设计的英特尔能效核实现了 6% 的频率增益和超过 90% 的标准单元利用率,调试时间与 Intel 4 一样,在可接受的范围内。” Sell 证实,对于仅仅移动电源线来说,这是“巨大”的频率提升。

英特尔 PowerVia 背面供电技术的测试和验证

目前,芯片测试技术是基于第一层和最底层晶体管的可访问性。Sell 说,现在晶体管被夹在芯片中间,“许多技术都必须重新开发”。

“存在很多担忧和顾虑,这可能是最难弄清楚的事情 —— 如何在这种新的背面供电上进行调试”,Sell 表示,“我们过去几年开发了这些调试功能并在 Blue Sky Creek 测试芯片进行了验证,已经取得了巨大进展。”

为了隔离 PowerVia 的开发,英特尔采用了基于前一代节点 Intel 4,且经过充分验证的晶体管,并采用了为 Intel 20A 规划的电源和互连设计。

英特尔的制造和设计团队经常制造各种测试芯片,用于测试新的设计和 IP,并巩固芯片制造工艺,但这类测试芯片通常不会像 Blue Sky Creek 那样功能齐全。在这种情况下,各个团队不仅需要验证他们是否可以用这种方式构建和测试芯片,还需要验证新配置会不会给最终产品带来新问题。

例如散热问题。Sell 解释说:“通常情况下,人们也会把芯片侧面用于散热。在把晶体管夹在中间的情况下,‘会出现散热问题么?’‘是否会出现很多局部升温的情况?’”答案是不会。

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