Компания Intel опубликовала доклад о своем технологическом процессе 18A (1,8 нм), собрав всю информацию о данной производственной технологии в единый документ. Ожидается, что новый процесс 18A обеспечит значительное улучшение показателей по энергопотреблению, производительности и площади (PPA) по сравнению со своим предшественником - все детали обязательно рассмотрим в статье. Но, возможно, даже важнее тот факт, что 18A станет первой за многие годы технологией Intel, которая будет напрямую конкурировать с передовой технологией TSMC, когда обе выйдут на массовое производство во второй половине этого года.
Прогресс PPA
Intel 18A разработан для широкого спектра продуктов как клиентского сегмента, так и центров обработки данных. Первым продуктом Intel на новом техпроцессе станут процессоры Panther Lake, рабочие образцы которых уже успели продемонстрировать в мае этого года. Для решения различных задач у Intel 18A есть две библиотеки стандартных ячеек: высокопроизводительная (HP) с высотой ячейки 180 нм (180CH) и высокоплотная (HD) с высотой ячейки 160 нм (160CH) для приложений с пониженным энергопотреблением.
Intel заявляет, что по сравнению с Intel 3 ее технология производства 18A повышает производительность на 25%. Этого удалось достичь без увеличения напряжения или сложности схемы, при использовании типичного субблока ядра Arm через библиотеки 180CH HD при напряжении 1,1 В. При работе на тех же тактовых частотах и напряжении также удалось снизить энергопотребление на 36% по сравнению с Intel 3. В то же время, при пониженном напряжении 0,75 В 18A обеспечивает прирост скорости на 18% и использует на 38% меньше энергии. Помимо этого, технологии 18A позволяют повысить плотность примерно на 30%.
Важное замечание о сравнении напряжения между Intel 3 и 18A. Intel 3 поддерживает уровни напряжения <0,6 В, 0,75 В, 1,1 В и 1,3 В, что делает ее оптимальным вариантом для устройств, размещенных в ЦОД. Такой тип рабочей нагрузки требует кратковременного выхода на высокие тактовые частоты при работе десятков ядер для достижения пиковой производительности, с последующим снижением до состояния с низким энергопотреблением в целях экономии энергии. В отличие от этого, 18A, судя по всему, поддерживает уровни напряжения 0,4 В, 0,75 В и 1,1 В, что уже не столь оптимально в ситуациях, когда необходима максимальная тактовая частота. Тем не менее, другие преимущества Intel 18A, вероятно, компенсируют отсутствие поддержки 1,3 В для подавляющего большинства приложений.
Что касается SRAM, технологический процесс Intel 18A включает высокоплотную битовую ячейку SRAM размером 0,021 мкм², что соответствует плотности SRAM примерно в 31,8 Мбит/мм². Это значительное улучшение по сравнению с битовой ячейкой 0,024 мкм², использовавшейся в Intel 4. Это ставит Intel 18A в один ряд с узлами TSMC N5 и N3E с точки зрения плотности SRAM. Однако предстоящий техпроцесс N2 от TSMC идет ещё дальше, уменьшая битовую ячейку до примерно 0,0175 мкм² и достигая более высокой плотности около 38 Мбит/мм².
Также, важными элементами техпроцесса Intel 18A являются транзисторы второго поколения RibbonFET с круговым затвором (Gate-All-Around, GAA) и технология подачи питания с обратной стороны PowerVia (Backside Power Delivery Network, BSPDN). Далее мы подробно рассмотрим, как именно Intel удалось реализовать данные решения.
RibbonFET
Источник изображений: Intel
В транзисторах GAA затвор полностью окружает канал, что обеспечивает лучший электростатический контроль по сравнению с FinFET, которые окружают канал только с трех сторон. Такая архитектура позволяет инженерам точно настраивать характеристики прибора для достижения либо высокой производительности, либо низкого энергопотребления, регулируя общую эффективную ширину канала. Обычно этого добиваются, изменяя ширину и количество наложенных друг на друга нанолистов (nanosheets). Большее количество листов вместе с более широкими листами может увеличить производительность, тогда как меньшее количество или более узкие листы снижают как производительность, так и энергопотребление.
Транзисторы RibbonFET Intel 18A имеют четыре наноленты (nanoribbons) и поддерживают восемь различных пороговых напряжений (VTs) — четыре для NMOS и четыре для PMOS — в диапазоне 180 мВ. Такой уровень детализации VT достигается за счет настройки работы затвора на основе диполей (dipole-based work-function tuning) — метода, который позволяет точно контролировать поведение транзистора без изменения его физических размеров. Этот подход особенно важен, учитывая жесткие пространственные ограничения в структурах транзисторов GAA, таких как RibbonFET, где традиционные методы, такие как регулировка легирования, ограничены.
PowerVia
Источник изображений: Intel
Технология подачи питания с обратной стороны PowerVia (Backside Power Delivery Network, BSPDN) от Intel переносит питание с верхних металлических слоев на тыльную сторону кристалла, создавая физическое разделение между силовыми и сигнальными линиями. Данная технология решает такие проблемы, как растущее сопротивление в вертикальных соединениях слоев BEOL (back-end-of-line), что, в свою очередь, повышает эффективность транзисторов и снижает энергопотребление. Кроме того, она предотвращает деградацию сигнала, вызванную помехами от цепей питания, и позволяет плотнее размещать логические элементы, увеличивая общую плотность схемы.
Решение PowerVia от Intel подает питание на контакты транзисторов, что является несколько менее сложным подходом по сравнению с технологией Super Power Rail от TSMC (появление ожидается во второй половине 2026 года), которая подключается напрямую к истоку/стоку. Помимо BSPDN, Intel также внедрила свои новые высокоплотные металл-диэлектрик-металл (MIM) конденсаторы для повышения стабильности системы питания.
Intel раскрыла ключевые преимущества своей технологии подачи питания. Во-первых, PowerVia увеличивает плотность транзисторов на 8–10%, что составляет весьма значительную часть от общего увеличения плотности транзисторов у 18A по сравнению с Intel 3. Во-вторых, фронтальные металлические слои в техпроцессе 18A демонстрируют снижение сопротивления переходных отверстий на 24–49% по сравнению с Intel 3 благодаря усовершенствованным методам металлизации и использованию диэлектриков с ультранизкой диэлектрической проницаемостью (ultra-low-k dielectrics). В-третьих, PowerVia в 18A уменьшает просадки напряжения (voltage droop) по сравнению с Intel 3 до 10 раз. Наконец, BSPDN упрощает проектирование чипов - так как разделяет разводку сигнальных и силовых линий.
Надежность PowerVia
Поскольку PowerVia является первой в отрасли технологией подачи питания с обратной стороны, используемой в массовом производстве, Intel также представила результаты её испытаний на надежность.
Источник изображений: Intel
Согласно тестам TQV, PowerVia прошла несколько стресс-сценариев без единого отказа, включая высокоускоренное стресс-тестирование (highly accelerated stress testing, HAST) при 110°C и 85% влажности в течение 275 часов и высокотемпературные тесты, которые предполагают работу при 165°C, и 750 циклов температурных перепадов от –55°C до 125°C. Эти результаты подтверждают, что PowerVia может выдерживать жесткие условия эксплуатации без ущерба структурной целостности.
Intel также оценила влияние PowerVia на SRAM и стабильность производительности. В условиях, эквивалентных 1000 часам работы при высокой температуре, массивы SRAM сохраняли стабильное минимальное рабочее напряжение (Vmin) с запасом, не показывая признаков деградации. Это говорит о том, что PowerVia не оказывает негативного влияния на чувствительную встроенную память и достаточно надежна для поддержки как цифровой логики, так и встроенной SRAM при длительных нагрузках. Эти данные призваны подтвердить готовность PowerVia к использованию в высокопроизводительных вычислительных платформах с длительным жизненным циклом.
Производственные процессы 18A
Источник изображений: Intel
Помимо повышения производительности, снижения энергопотребления и увеличения плотности транзисторов, технология 18A от Intel упрощает производственные процессы и проектирование чипов. Благодаря переносу питания на тыльную сторону, отпадает необходимость в фронтальной силовой сети, что в сочетании с прямой EUV-литографией (direct EUV patterning) сокращает общее количество фотошаблонов и упрощает процесс формирования фронтальных металлических слоев. Как итог, упрощение слоев снижает сложность процесса и помогает компенсировать стоимость добавления дополнительных тыловых металлических слоев, которые основаны на зрелых, недорогих производственных технологиях. В результате общий процесс проектирования становится дешевле.
Кроме того, тыловые металлические слои PowerVia в 18A спроектированы с акцентом на низкое сопротивление и высокую теплопроводность, что позволяет справляться с возросшей мощностью и плотностью транзисторов GAA. Также, было оптимизировано соединение с несущей пластиной (carrier wafer bonding), чтобы сразу решить потенциальные проблемы с отводом тепла, вызываемые высокопроизводительными транзисторами. Стоит упомянуть, что PowerVia ещё совместима с передовыми методами сборки, такими как Foveros и EMIB, хотя это уже было известно и раньше - из информации о процессорах Panther Lake, для которых помимо техпроцесса 18A была заявлена технология Foveros 3D.
Итоги
Нет сомнений, что у технологического процесса 18A от Intel есть преимущества, которые позволяют компании позиционировать его как конкурента предстоящему процессу N2 от TSMC. Транзисторы RibbonFET (GAA) второго поколения, технология подачи питания с обратной стороны PowerVia и другие инновации обеспечивают более высокую производительность, меньшее энергопотребление и увеличивают плотность транзисторов - и тем не менее, только время сможет показать, удастся ли 18A помочь Intel вернуть своему бренду былую славу. Сейчас же компания продолжает преодолевать непростой период - но положительные сигналы безусловно есть.
