英特尔介绍最新 PowerVia 背面供电技术

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。

附英特尔PowerVia背面供电技术官方介绍：

Intel20A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（FirstStepping）。

接下来的Intel18A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Intel18A开发低功耗计算系统级芯片（SoC）；英特尔也将采用Intel18A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BenSell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BlueSkyCreek的测试芯片，该芯片基于英特尔即将推出的PC处理器MeteorLake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Intel4一样，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BlueSkyCreek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Intel4，且经过充分验证的晶体管，并采用了为Intel20A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BlueSkyCreek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。