臺(tái)積電、英特爾、三星，背面供電技術(shù)大比拼

隨著摩爾定律的演進(jìn)，晶體管越來(lái)越小，密度越來(lái)越高，堆疊層數(shù)也越來(lái)越多，可能需要穿過(guò) 10~20 層堆疊才能為下方晶體管提供電源和數(shù)據(jù)信號(hào)，這導(dǎo)致互連線和電源線共存的線路層變成了一個(gè)越來(lái)越混亂的網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，電子在向下傳輸?shù)倪^(guò)程中，會(huì)出現(xiàn) IR 壓降現(xiàn)象，導(dǎo)致電力損失產(chǎn)生。

除了電力損失，供電線路占用空間也是問(wèn)題。芯片電源線路布線復(fù)雜的后段制程，往往占至少 20% 資源，如何解決信號(hào)網(wǎng)絡(luò)跟供電網(wǎng)絡(luò)資源排擠問(wèn)題，使元件微縮，變成芯片設(shè)計(jì)者主要挑戰(zhàn)，這就造成半導(dǎo)體業(yè)界開(kāi)始把供電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到芯片背面的原因。

臺(tái)積電超級(jí)電軌 2025 年 A16 制程上亮相，技術(shù)復(fù)雜提高芯片效率

晶圓代工龍頭臺(tái)積電日前在北美技術(shù)論壇發(fā)表 A16 節(jié)點(diǎn)制程，除了容納更多晶體管，提升運(yùn)算效能，更降低能耗。更令人關(guān)切的，在 A16 芯片導(dǎo)入結(jié)合超級(jí)電軌（Super PowerRail) 架構(gòu)與納米片晶體管，帶動(dòng)運(yùn)算速度更快、更有效率的數(shù)據(jù)中心處理器發(fā)展。尤其，臺(tái)積電 A16 采不同芯片布線。向晶體管輸送電力的電線將位于晶體管下方而不是上方，稱為背面供電，有利于生產(chǎn)更有效率的芯片。

事實(shí)上，最佳化處理器的方法之一是緩解 IR 壓降，這現(xiàn)象會(huì)降低芯片晶體管接收的電壓，降低性能。A16 電線不太容易出現(xiàn)電壓下降、不僅簡(jiǎn)化電力分配，還允許芯片電路更緊密封裝，目標(biāo)是處理器放入更多晶體管以提高運(yùn)算能力。而且，晶體管由四個(gè)主要元件組成，源極、汲極、通道和閘極。源極是電流流入晶體管的入口點(diǎn)，汲極是出口，通道和閘極依序負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)電子的運(yùn)動(dòng)。

臺(tái)積電在 A16 制程技術(shù)上將電力傳輸線直接連接源極和汲極。對(duì)此，臺(tái)積電表示，決定更復(fù)雜設(shè)計(jì)是因有助于提高芯片效能。在此情況下，使用超級(jí)電軌的 A16 將較 N2P 相同 Vdd（工作電壓） 下，運(yùn)算速度增加 8%~10%，或相同運(yùn)算速度下，功耗降低 15%~20%，芯片密度提升高達(dá) 1.10 倍，支援?dāng)?shù)據(jù)中心產(chǎn)品。

英特爾 PowerVia 將在 2024 年于 Intel 20A 上生產(chǎn)就緒

與臺(tái)積電超級(jí)電軌相同的，英特爾也推出背面供電解決方案 PowerVia。據(jù)介紹，電源線原本可能占據(jù)芯片上面 20% 的空間，但 PowerVia 背面供電技術(shù)節(jié)省了這一空間，也意味著互連層可以變得更寬松一些。

對(duì)此，先前英特爾團(tuán)隊(duì)還特地制作 Blue Sky Creek 測(cè)試芯片證明，背面供電技術(shù)電源線和互連線可分離并線徑更大，以改善供電和信號(hào)傳輸。測(cè)試結(jié)果顯示，芯片大部分區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)單元利用率都超過(guò) 90%，平臺(tái)電壓降低 30%，并達(dá)成 6% 頻率提升，同時(shí)單元密度也大幅增加，并有望降低成本。PowerVia 測(cè)試芯片也展示良好的散熱特性，符合邏輯微縮預(yù)期將實(shí)現(xiàn)的更高功率密度。

另外，PowerVia 也計(jì)劃導(dǎo)入到英特爾代工服務(wù)（IFS）當(dāng)中，使客戶所設(shè)計(jì)的芯片能更快地達(dá)到產(chǎn)品能效和性能的提升。根據(jù)英特爾 PowerVia 背面供電技術(shù)的官方介紹，英特爾將在 Intel 20A 制程技術(shù)上采用 PowerVia 背面供電技術(shù)及 RibbonFET 全環(huán)繞柵極晶體管的架構(gòu)，預(yù)計(jì) 2024 上半年生產(chǎn)準(zhǔn)備就緒，用于未來(lái)量產(chǎn)客戶端 ARL 平臺(tái)，正在晶圓廠啟動(dòng)步進(jìn)（First Stepping）。

三星計(jì)劃 2027 年開(kāi)始在 SF1.4 制程上應(yīng)用

至于，臺(tái)積電另一競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星除了率先轉(zhuǎn)型 GAA 晶體管技術(shù)之外，其背面供電技術(shù)（BSPDN）也是三星追逐先進(jìn)制程的殺手锏。根據(jù)先前韓國(guó)媒體報(bào)道，三星代工部門(mén)技術(shù)長(zhǎng) Jung Ki-tae Jung 曾宣布，2027 年將背面供電技術(shù)用于 1.4 納米制程。

報(bào)道指出，與傳統(tǒng)前端供電網(wǎng)絡(luò)相比，三星的背面供電網(wǎng)絡(luò)成功將耗用晶圓面積減少 14.8%，芯片擁有更多空間，可增加更多晶體管，提高整體性能，布線長(zhǎng)度減少 9.2%，有助于降低電阻使更多電流通過(guò)，降低功耗，改善功率傳輸狀況。三星電子相關(guān)人士表示，采用背面供電技術(shù)的半導(dǎo)體的量產(chǎn)時(shí)間，可能會(huì)根據(jù)客戶的時(shí)程安排而有所不同。三星正在調(diào)查背面供電技術(shù)應(yīng)用的客戶需求。