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Intel在IFS Direct Connect 2024重申藉由先進製程持續推進摩爾定律,在四年內完成五個制程節點的開發

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Intel在IFS Direct Connect 2024晶圓代工大會重申將完成4年5個製程節點的先進製程開發計畫,並說明自家先進封裝的優勢。9bd9d1c9b38d2e3fc049f696132f1793

Intel在IFS Direct Connect 2024晶圓代工大會重申將完成4年5個製程節點的先進製程開發計畫,並說明自家先進封裝的優勢。

以摩爾定律自我鞭策

由Intel研發團隊出身的Pat Gelsinger在回任執行長職位之後,充分展現他對公司開國元老之一Gordon Moore的崇敬,以及追尋由他所提出的摩爾定律。

摩爾定律的起源為1965年4月19日時任Fairchild Semiconductor(仙童半導體公司)工程師的Gordon Moore,受邀應紀念《Electronics Magazine》(電子學)雜誌出版35週年所發表的文章,預測半導體晶片上的電晶體數量將每年增加1倍。而他在1975年將此預測修正為每2年增加1倍。

Intel總部附設的博物館展示了摩爾定律的說明與當年文章的複本。

摩爾定律雖然只是對產業的預測而非物理法則,但也準確描述、預測並推動半導體產業75年的發展(包含摩爾定律發表之前)。

Pat Gelsinger透過4年5節點計劃持續追趕摩爾定律。

4年之內拼5個製程節點

有別於過去Intel在14奈米與10奈米製程節點「百鍊成鋼」的精神,Pat Gelsinger於2021年宣佈了大刀闊斧的4年5個製程節點(5N4Y)先進製程路線計劃,在4年之內推出

  1. Intel 7
  2. Intel 4
  3. Intel 3
  4. Intel 20A
  5. Intel 18A

等5個製程節點,每個製程皆有其特色與預計要量產的產品線,企圖追趕與晶圓製造、代工競爭對手的進度落差。

Intel 7由原先的Intel 10奈米節點的FinFET(鰭式場效電晶體)結構為基礎,最佳化後可提升電力效率約10%~15%,意即在相同功耗(每消耗1W電力)的情況之下,帶來額外10%~15%的效能增益,已使用在2021年推出代號為Alder Lake的第12代Core i處理器,以及2023年第一季量產代號為Sapphire Rapids的伺服器用Xeon可擴充式處理器。

而Intel 4則是全面使用極紫外光(EUV)微影技術,透過超短波長的光縮小蝕刻圖案,進而達到微縮製程的效果,除了可以提升晶片的電晶體密度與面積效率(單位面積所能帶來的效能表現),也提升約20%電力效率。已率先應用於2023年12月推出代號為Meteor Lake的1系列Core Ultra處理器的運算模塊(Compute Tile)。

Intel 3將持續以FinFET結構為基礎進行最佳化,並提高EUV的使用比例,達到提升面積效率的功效,相較Intel 4能夠提供約18%的電力效率成長幅度。將應用於預計在2024年推出代號分別為Sierra Forest和Granite Rapids的Xeon處理器。

到了Intel 20A製程節點,尺度將由奈米挺進至埃米(Angstrom,1奈米等於10埃米),並導入RibbonFET與PowerVia等2項突破性技術。

RibbonFET為Intel實作環繞式閘極(GAA,Gate All Around)電晶體結構的成果,將原本FinFET的閘極僅有3面控制的結構改進為可由4面控制,能夠在較小的面積當中堆疊更多鰭片,於相同的驅動電流提供更快的電晶體開關速度,有利於進一步微縮製程並提升電晶體密度,是自2011年推出FinFET後,首次全面更新電晶體架構。

PowerVia則為Intel獨家研發,並首次於業界實作的背部供電,藉由將供電線路由晶圓正面轉移至背面,改善晶片內訊號傳輸品質,有利於在微縮製程的同時保持高速傳輸的能力。

Intel 18A節點將以Intel 20A的RibbonFET為基礎進行最佳化,並導入高數值孔徑EUV(High NA EUV)曝光技術,預期將獲得業界首套量產工具,並為電晶體帶來另一次的重大性能提升。

4年5節點計劃的進展相當順利,並預計於2024年第二季開放Intel 18A節點的完整產品設計(Full Product Design)。

在Intel 20A製程節點導入RibbonFET採用全新半導體結構,能較FinFET結構大幅改善電氣特性。

RibbonFET能擴大閘極表面積並立體堆疊,可以提高電晶體開關速度,並降低占用晶片的面積。(圖中黃色方框代表RibbonFET,藍色方框代表FinFET)

PowerVia則可改善晶片內訊號傳輸品質,達到提高時脈的效果。

左圖為傳統晶片構造,電力與訊號線路都在電晶體上方。右圖為PowerVia,將電力線路移至電晶體下方。

左圖的傳統晶片容易造成高速訊號傳輸的瓶頸(紅色線路)。右圖的PowerVia則可緩解此狀況。

PowerVia的關鍵技術之一為使用線徑為目前TSV細500倍的Nano TSV。

由於目前晶圓製程節點的命名方式已經與閘極長度脫軌,變得沒有實際物理意義,因此相較於使用「幾奈米」比較晶圓製程的先進程度,不如回到Performance(效能)、Power Efficiency(電力效率)、Area(面積,越小越好)、Cost(成本)等「PPAC」指標進行衡量,更能反映實際優劣。

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