过去五年，英特尔在先进芯片制造方面落后于台积电和三星。现在，为了重新获得领先地位，该公司正在采取大胆且冒险的举措，在台式机和笔记本电脑中引入两项新技术的Arrow Lake 处理器将于 2024 年底推出。英特尔也希望通过新的晶体管技术和第一个电力传输系统来超越竞争对手。
英特尔技术开发副总裁兼高级晶体管开发总监 Chris Auth 表示，在过去的二十年里，英特尔在晶体管架构的重大变革方面处于领先地位。然而，该公司的芯片生产却有着一段坎坷的过去：2018年，英特尔未能按时交付首款10纳米CPU，该芯片的生产被推迟了一年，导致使用其14纳米制造的CPU出现短缺。2020 年，7 纳米节点（更名为 Intel 4）再次出现延迟。从那时起，该公司就一直在追赶。
据介绍，英特尔即将推出的纳米片晶体管 RibbonFET 将取代当今的 FinFET 技术。FinFET 晶体管通过将晶体管的栅极从三侧（而不是一侧）缠绕在沟道区域周围，为 CPU 提供了低功耗要求和更高的逻辑电路密度。但随着 FinFET 尺寸的缩小，这些器件已接近其栅极控制电流能力的极限。纳米片晶体管（例如三星的多桥通道 FET）可以提供更好的控制，因为它们的栅极完全包围通道区域。英特尔预计，在即将推出的英特尔 20A 处理节点（该公司最新的半导体制造工艺技术）中引入 RibbonFET 后，能源效率将提高高达 15%。20A 中的“A”指的是埃，不过，就像之前芯片命名约定中的“纳米”一样，它不再指产品中的特定测量值。
引入新的供电方案（通常称为背面供电，英特尔称之为 PowerVia）是一个更显著的变化。“自从罗伯特·诺伊斯制造出第一个集成电路以来，一切都在互连的前端，”Auth 说。这将是制造商首次使用晶圆另一侧的表面，将功率与处理分开。这种去耦很重要，因为电源线和信号线有不同的优化：虽然电源线在低电阻、高规格的电线上表现最佳，但信号线之间需要更多的空间，以确保最小的干扰。
“这是一个新的游乐场，”Imec 逻辑技术副总裁 Julien Ryckaert 说道。转向纳米片技术是一种传统做法，但 Ryckaert 预计将有机会通过背面电源实现创新的新功能。
同时使用两种技术
大约五年前，英特尔决定同时推出这两种技术，大约在同一时间它失去了对竞争对手的领先优势。通常，这些类型的项目需要长达十年的时间。随着英特尔越来越接近实施新的晶体管和电力传输网络，其高管发现这些时间表将发生交叉。因此，为了领先于竞争对手并避免等待下一个节点引入其中一种，该公司决定将这些技术配对。Auth 表示，这两者都被视为实现英特尔雄心勃勃的目标（到 2025 年重新夺回处理技术领先地位）的“关键”。
TechInsights 副主席丹·哈奇森 (Dan Hutcheson) 表示：“英特尔曾经是保守派。” 此前，台积电的冒险精神更加激进，失败的几率也更高。哈奇森解释说，现在情况发生了转变。“试图同时实施两项重大技术变革是一个非常冒险的举动，而在过去，这往往会导致灾难，”他说。
Hutcheson 补充道，英特尔的创新需要通过可靠的生产来实现，以吸引和留住客户，特别是当它继续通过分离制造和产品组将其业务转向半导体代工模式时。他说，在代工模式中，客户信任制造商至关重要。由于从开发到交付产品的长期投资，客户“基本上押注农场大约两年后”。
鉴于英特尔在 10 纳米节点上遇到的挫折和延迟，公司高管非常清楚他们所承担的风险。奥特说，虽然这个行业“建立在承担风险的基础上”，但“在这个案例中，我们承担了太多的风险，我们肯定认识到了这个错误。”
因此，为了降低即将推出的 20A 节点所涉及的风险，英特尔添加了一个内部节点，将 PowerVia 与当前一代 FinFET 配对。根据 2023 年 6 月发布的测试结果，仅添加 PowerVia 就带来了 6% 的性能提升。这一内部踏脚石使该公司能够测试背面电力传输并解决工艺和设计方面的任何问题。
例如，在工艺方面，英特尔需要弄清楚如何使用称为硅通孔的纳米尺寸垂直连接器正确对齐和连接芯片的正面和背面，该连接器的尺寸是以前连接器的 1/500。Auth 表示，另一个挑战是在处理硅晶圆的两面时保持芯片图案化所需的平坦表面。
斯坦福大学电气工程教授马克·霍洛维茨 (Mark Horowitz) 表示，考虑到对制造精度的要求更高，因此值得考虑预计成本。从历史上看，随着制造商采用更好的技术，每个晶体管的成本会下降。现在，这些成本改进总体上已趋于稳定。“晶体管的价格不再像以前那么快了，”霍洛维茨说。
同时，设计人员必须重新考虑互连线和布局。Auth 表示，通过使用 PowerVia 将电源线移至芯片背面，“您将抵消大约七年的前端互连学习成果。” 例如，工程师必须重新学习如何发现缺陷和正确散热。尽管学习曲线陡峭，英特尔预计新技术的组合将带来显着的好处。
Imec 的 Ryckaert 表示，随着每一项进步都解决了缩放的独立方面，新的晶体管和电力传输网络可以被视为互补。他怀疑英特尔在 FinFET 到纳米片过渡期间引入背面电源的决定是为了吸引客户，通过提供比任何一项进步本身所能带来的更显着的好处。未来几代人可能不会使用纳米片晶体管技术。“很快，我们就会看到纳米片的饱和，”Ryckaert 预测。
英特尔预计将于 2024 年上半年准备好生产 20A。台积电计划于 2025 年初开始采用其 N2 纳米片技术生产芯片。N2P 芯片（具有背面供电的版本）预计将于 2025 年开始生产。2026 年。三星已于 2022 年在其 3 纳米节点中引入纳米片晶体管，但尚未正式宣布实施背面电源的时间表。
Hutcheson 认为，所有芯片制造商都在走向背面电源的同一道路上。英特尔只是第一个迈出这一步的人。他说，如果该公司成功了，这种风险可能会让它重新获得领先地位。“这有很多事情。”
