这家芯片制造商将希望寄托于新型晶体管、供电技术和新的代工业务。
过去5年，英特尔在先进芯片制造方面一直落后于台湾积体电路制造公司（以下简称台积电）和三星。现在，为了重新获得领先地位，该公司正在采取一项大胆而冒险的行动，在用于台式机和笔记本电脑的Arrow Lake处理器中引入两项新技术，计划于2024年底推出。英特尔希望通过新型晶体管技术和首款新型供电系统超越竞争对手。
英特尔技术开发副总裁兼高级晶体管开发总监克里斯•奥特（Chris Auth）表示，在过去20年里，英特尔在晶体管架构的重大变革方面一直处于领先地位。然而，该公司的芯片生产却颇为波折：2018年，英特尔未能按时交付其首款10纳米CPU，该芯片生产推迟了一年，导致其14纳米CPU发生短缺；2020年再次出现延期，这次是7纳米节点（更名为“英特尔4”）。从那以后，英特尔一直在奋力追赶。
英特尔的纳米片晶体管RibbonFET将取代今天的鳍式场效应晶体管（FinFET）技术。鳍式场效应晶体管通过将晶体管的栅极包裹在其沟道区域的三面，而不是一面，使CPU具有低功率需求和高逻辑电路密度。但随着鳍式场效应晶体管尺寸的缩小，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，如三星的多桥沟道场效应晶体管，提供了更好的控制能力，因为它们的栅极完全围绕沟道区域。英特尔在RibbonFET中使用了即将推出的英特尔20A处理节点，预计其能效将提高15%。英特尔20A是该公司最新的半导体制造工艺技术，其中的“A”指的是单位“埃”（指10-10米），不过，像以前的芯片命名约定中的“纳米”一样，它不再是指产品中的具体测量值。
更引人注目的变化是引入了新的供电方案。这项方案通常被称为背面电源，英特尔称之为PowerVia。奥特说：“自罗伯特•诺伊斯制造出第一个集成电路以来，每一根连接线都在正面。”这是制造商首次使用晶圆的背面将电源与处理分开。这种解耦很重要，因为电源线和信号线优化方法不同：低电阻、粗线径的电源线性能最好，信号线则需要较大的间隔，确保干扰最小。
微电子研究中心（Imec）负责逻辑技术的副总裁朱利安•瑞卡特（Julien Ryckaert）表示：“这是一条新赛道。”虽然向纳米片技术转变是常规做法，但瑞卡特希望有机会通过背面电源实现功能创新。
一次性推出两项技术
大约5年前，英特尔失去了对竞争对手的领先优势，于是决定同时引入这两项技术。通常，这类项目的运作时间长达10年之久。当新型晶体管和供电网络技术接近实现时，公司高管发现这些时间线会出现相交。因此，为了领先竞争对手，避免等待下一个节点再引入另一项技术，该公司决定将这两项技术结对推出。奥特表示，二者都被视为2025年英特尔重新取得制程技术领先这一宏伟目标的“关键”。
研究机构TechInsights的副主席丹•哈奇森（Dan Hutcheson）表示：“英特尔过去是保守派。”此前，台积电更为激进，经常未能达到预期结果。哈奇森解释道，现在情况发生了翻转。他说：“试图同时实施两项重大技术变革是一个非常危险的举动，在过去，这往往会导致失利。”
哈奇森补充道，英特尔的创新需要通过可靠的生产来吸引和维系客户，尤其是在其继续将业务向半导体代工模式转变，将制造生产与产品服务分离的情况下。他说，在代工模式下，客户能够信任制造商是至关重要的。由于从开发到产品交付的投资周期很长，客户“基本上都会把赌注押在两年以后”。
考虑到英特尔在10纳米节点上面临的挫折和延误，公司高管们非常清楚他们所承担的风险。奥特说，虽然这个行业“建立在承担风险的基础上”，但“在这个案例中，我们承担的风险太大，我们确实意识到这个错误”。
因此，为了降低即将推出的20A节点所涉及的风险，英特尔增加了一个内部节点，将PowerVia与当前一代鳍式场效应晶体管进行组合。根据2023年6月的测试结果，仅增加PowerVia就可以提升6%的性能。这一内部“垫脚石”使该公司能够测试背面供电，并解决制程和设计方面的问题。
例如，在制程方面，英特尔需要解决如何将芯片正面和背面的垂直连接点准确对齐和连接的问题，这些纳米尺寸连接点被称为“硅通孔”，其尺寸是以前连接点的1/500。奥特说，另一个挑战是加工硅晶圆的两个面时，要维持芯片刻蚀图案时所需的平面。
斯坦福大学电气工程教授马克•霍洛维茨（Mark Horowitz）表示，鉴于制造时需要更高的精度，有必要考虑预计成本。从历史上来看，制造商实现规模生产的技术越好，每个晶体管的成本就会越低。现在，这些成本改进总体上趋于停滞。霍洛维茨说：“晶体管的降价速度不比从前。”
同时，设计者必须重新思考连接线路和布局问题。奥特说，使用PowerVia将电源线移动到芯片的背面，可以说是“抛弃了约7年来正面连接的经验和教训”。例如，工程师需要重新学习如何发现缺陷和恰当地散热。虽然学习曲线陡峭，但英特尔预计结合这两项新技术会有显著的收益。
微电子研究中心的瑞卡特表示，随着每项技术都取得独立进展，可以看到新型晶体管和供电网络的互补。他怀疑英特尔在鳍式场效应晶体管向纳米片过渡的过程中引入背面电源的决定是为了吸引客户，因为通过背面电源带来的好处比任何一种进步单独带来的好处都更加显著。未来可能没有多少晶体管会使用纳米片晶体管技术。瑞卡特预测：“很快，我们就会看到纳米片饱和。”
英特尔预计将在2024年上半年作好生产20A的准备；台积电计划在2025年初开始采用N2纳米片技术生产芯片，N2P芯片是一种背面供电芯片，预计2026年开始生产；三星已经在2022年在其3纳米节点中引入了纳米片晶体管，但尚未正式宣布实施背面电源的时间线。
哈奇森认为，所有芯片制造商都在通往背面电源的同一条道路上，英特尔只是先走了一步。他说，如果英特尔成功了，这次冒险的风险可能会让它重新取得领先地位。“这事关重大。”
文章来源于悦智网，作者Gwendolyn Rak
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