vivo TWS Air開箱體驗(yàn)：真輕 臻好聽
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背面供電成必然？
悄然興起的背面供電越來越被視為持續(xù)開發(fā)更精細(xì)工藝節(jié)點(diǎn)的基本技術(shù)。
這或是大勢所趨。隨著越來越多的使用場景，包括AI、GPU等都需要尺寸更小、密度更高、性能更強(qiáng)的晶體管來滿足不斷增長的算力需求。而傳統(tǒng)晶體管架構(gòu)中的電源線和信號線一直都在“搶占”晶圓內(nèi)的同一塊空間，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，電源線或占據(jù)芯片20%的空間。而背面供電通過將原先和晶體管一同排布的供電線路直接轉(zhuǎn)移到晶體管的背面重新排布，不僅可節(jié)省空間，還將大幅提高芯片性能和能效。
一位業(yè)內(nèi)人士告知集微網(wǎng)，背面供電技術(shù)是一種可用于調(diào)節(jié)芯片功耗和效能的技術(shù)。它通過改變芯片背面的電位，控制晶體管閘極-源極電壓，進(jìn)而影響晶體管的閾值電壓和電流。當(dāng)芯片處于低功耗模式時(shí)，使用背面供電技術(shù)可以降低晶體管的閾值電壓，從而降低晶體管的漏電流，進(jìn)而減少功耗。當(dāng)芯片處于高性能模式時(shí)，使用背面供電技術(shù)可以增加晶體管的閾值電壓，從而提高晶體管的速度和效能。
“隨著工藝進(jìn)入2nm，最大變化是使用更大NA的光刻機(jī)，采用背面供電是水到渠成的事。可以說，背面供電對大算力芯片的晶體管微縮而言至關(guān)重要，可使設(shè)計(jì)公司在不犧牲資源的同時(shí)提高晶體管密度，進(jìn)而顯著地提高性能和能效。”上述人士總結(jié)道。
在2023年VLSI研討會上，英特爾就展示了制造和測試其背面供電解決方案PowerVia的過程，并公布了測試結(jié)果：標(biāo)準(zhǔn)單元利用率都超過90%，電壓降低了30%，并實(shí)現(xiàn)了6%的頻率增益，同時(shí)單元密度也大幅增加，并有望降低成本。
綜合已發(fā)布的信息，BSPDN與FSPDN前端供電網(wǎng)絡(luò)相比，整體性能提高了44%，能效提高了30%。
英特爾和三星都曾強(qiáng)調(diào)BSPDN的重要性，即背部供電將成未來芯片的標(biāo)配，也是先進(jìn)工藝的關(guān)鍵突破。其地位相當(dāng)于2003年90nm節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變硅技術(shù)、2007年45nm節(jié)點(diǎn)的鉿基高K金屬柵極、2012年22nm節(jié)點(diǎn)的FinFET技術(shù)。
更重要的是，這或只是起跳的開始。業(yè)內(nèi)專家許然（化名）指出，背面供電除了能一定程度提高晶體管密度和信噪比之外，主要還是把供電和信號分上下兩面做通道，意義在于配合之后的chip level bonding。從未來工藝發(fā)展來看，更多的功能或被推到背面，以進(jìn)一步釋放設(shè)計(jì)的潛力，甚至有望采用BSPDN推動3D IC 的發(fā)展，將新的未使用的金屬互連與HBM或其他芯片堆疊在一起，這將引發(fā)新的先進(jìn)封裝革命。
無論是立足于2nm的爭霸，還是未來3D IC的布局，三大巨頭都已著眼于背面供電排兵布陣。
英特爾的挑戰(zhàn)
而從目前各企業(yè)進(jìn)展和投入力度來看，大膽押注的英特爾正在領(lǐng)銜出擊。
其在第二季度宣布率先在產(chǎn)品級測試芯片上已實(shí)現(xiàn)PowerVia，并計(jì)劃在2024年采用PowerVia在Intel 20A和18A工藝上線并大規(guī)模量產(chǎn)。而第一個(gè)使用該技術(shù)推出的處理器將是英特爾的Arrow Lake架構(gòu)，這將是構(gòu)建在20A節(jié)點(diǎn)上的下一代酷睿產(chǎn)品。
作為大幅領(lǐng)先競爭對手的背面供電解決方案，PowerVia將讓包含英特爾代工服務(wù)（IFS）客戶在內(nèi)的芯片設(shè)計(jì)公司突破日益嚴(yán)重的互連瓶頸，更快地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品能效和性能的提升。
盡管從FSPDN到BSPDN的轉(zhuǎn)變優(yōu)勢明顯，但BSPDN的實(shí)現(xiàn)伴隨著額外的技術(shù)復(fù)雜性，還要解決涉及EDA、設(shè)備、工藝等諸多挑戰(zhàn)。
許然解讀說，首先，EDA和調(diào)試工具需重頭設(shè)計(jì)，英特爾要創(chuàng)建自己的設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（DTCO）工具，優(yōu)化新的EDA流程；其次，背面供電需在晶圓正面搭建好邏輯層和信號層布線，然后翻轉(zhuǎn)晶圓，再搭建電源層。這要求增加和優(yōu)化晶圓減薄、CMP、測試等步驟，加大了制造成本；最后，背面供電需在晶圓背面添加一個(gè)反型摻雜層，由于背面電極和正面電路之間存在物理和電學(xué)障礙，因此必須進(jìn)行詳細(xì)的物理和電學(xué)模擬和設(shè)計(jì)。此外，還需要提升信號和電力線連接的納米硅穿孔（TSV）和散熱等能力。
英特爾技術(shù)開發(fā)副總裁Ben Sell也曾表示，背部供電極大改變了晶圓加工工藝，必須找到高效的方法，以便保證可靠性，提升產(chǎn)量。
因而，孤軍奮戰(zhàn)的英特爾既需要大膽推進(jìn)，更需要步步為營。
看似英特爾是有備而來。據(jù)悉，英特爾開發(fā)了新的熱管理方式，以避免過熱問題的出現(xiàn)，同時(shí)，調(diào)試團(tuán)隊(duì)也開發(fā)了新技術(shù)，確保這一新的晶體管設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在調(diào)試中出現(xiàn)的各類問題都能得以適當(dāng)解決。據(jù)悉PowerVia在測試中還達(dá)到了相當(dāng)高的良率和可靠性指標(biāo)，證明了這一技術(shù)的預(yù)期價(jià)值。
競合之勢
如果說每一代工藝有每一代的“絕活”，那么無疑背面供電技術(shù)將是影響2nm對決之勢的一大因素。
關(guān)鍵的問題是，PowerVia會是英特爾在2nm領(lǐng)域反超的王牌嗎？
前文提到，臺積電插入BSPDN最晚可能是在2026年發(fā)生，而英特爾計(jì)劃在2024年就量產(chǎn)，如此英特爾擁有領(lǐng)先兩年的優(yōu)勢，有可能會在2nm及未來的3D IC中占據(jù)先機(jī)，甚至創(chuàng)造重新奪回領(lǐng)先地位的機(jī)遇？要知道，一般工藝兩年會升級一個(gè)世代，對先進(jìn)工藝來說，兩年的時(shí)間確實(shí)可以改寫江湖。
在臺積電2023年技術(shù)研討會上，其透露N2P制程將通過背面供電技術(shù)減少IR Drop和改善信號，將性能提高10%-12%，并將邏輯面積減少10%-15%。但關(guān)于如何實(shí)施背面供電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，臺積電并沒有過多透露。但臺積電曾經(jīng)介紹過3D IC封裝技術(shù)SoIC，這是他們實(shí)現(xiàn)背面供電的一個(gè)很重要的前提準(zhǔn)備。
有分析師對此認(rèn)為，至于背面供電技術(shù)，其實(shí)取決于各家晶圓廠的技術(shù)規(guī)劃。目前來看，三方在材料、鍵合方式、結(jié)深都不太一樣。英特爾已經(jīng)投入相當(dāng)長的時(shí)間研究與發(fā)展，而臺積電未來也將通過與客戶的合作來推進(jìn)這方面的技術(shù)，三星也在持續(xù)加碼，未來走勢如何要看這兩年英特爾能將優(yōu)勢提升到何種程度，并獲得多少客戶的訂單。
除在2nm GAA技術(shù)領(lǐng)域三大巨頭要同臺競技之外，BSPDN戰(zhàn)局的發(fā)展也將深刻影響2nm及1nm時(shí)代的格局。有消息稱，英特爾最早可能在2024年超越三星成為代工榜眼，三星期望2030年超過臺積電成為新的龍頭，豪情和野心交織背后，BSPDN將是誰的“王炸”？
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