在背面供電技術(shù)上，臺積電似乎沒有領(lǐng)先。

半導(dǎo)體技術(shù)的許多進步都取決于減小封裝尺寸，同時結(jié)合附加功能和更高效的供電方法。目前的供電方法會占用晶圓上的大量空間，導(dǎo)致成本增加、芯片尺寸增大和晶體管減少。今年早些時候，三星半導(dǎo)體展示了其關(guān)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體供電方法的替代方案的研究：背面供電。這可能導(dǎo)致芯片尺寸的顯著減小和布線擁塞的減少。

根據(jù)TheElec和三星在今年超大規(guī)模集成（VLSI）研討會上的演講報告，與傳統(tǒng)的前端供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）相比，新的背面供電網(wǎng)絡(luò)（BSPDN）方法成功地將所需的晶圓面積減少了14.8%。成功實施后，兩個ARM電路的面積分別減少了10.6%和19%，同時布線長度減少了9.2%。

在傳統(tǒng)的前端PDN（FSPDN）中，半導(dǎo)體元件必須布置在晶圓的正面，以便提供從電源線到信號線和晶體管的傳輸。這種配置需要在傳輸和信號網(wǎng)絡(luò)之間共享空間和資源，越來越抗的路由以在線路后端堆棧上傳輸電子，并且可能導(dǎo)致在傳輸?shù)桨雽?dǎo)體結(jié)構(gòu)中的接地軌期間的能量損失。

BSPDN 的主要目標(biāo)是增加單元的功率，這可以改善許多方面的性能。信號長度減少方面得改進得一個很好的例子。縮短信號長度可以實現(xiàn)更好的路由，并且通過電路發(fā)出指令時浪費的能量更少。通過縮短信號長度，提高了能源效率。深度復(fù)雜的前端信號網(wǎng)絡(luò)的問題之一是海豚效應(yīng)，即當(dāng)信號在信號層上下移動并產(chǎn)生不必要的復(fù)雜性時。BSPDN 解決了這個問題。

BSPDN 另一個有趣的方面是小區(qū)略有縮小。單元是印刷到晶圓中的晶體管的標(biāo)準(zhǔn)單元，如果您查看以下數(shù)據(jù)，PowerVia 的單元高度更小，這意味著更好的設(shè)計將使晶體管“縮小”。背面接觸將把這個提升到一個全新的水平。

BSPDN旨在解決這些架構(gòu)和供電限制。該方法完全解耦供電和信號網(wǎng)絡(luò)，并使用晶圓的背面來適應(yīng)配電。使用晶圓的背面，三星和其他半導(dǎo)體制造商可以通過更短、更寬的線路直接供電，從而提供更小的電阻、更高的供電性能并減少路由擁塞。

雖然從FSPDN到BSPDN的轉(zhuǎn)變聽起來很有希望，但仍有一些挑戰(zhàn)阻止它成為追求該技術(shù)的制造商的標(biāo)準(zhǔn)方法。

三星在研討會上提出了實施新電力傳輸模型的最大挑戰(zhàn)之一，即與 BSPDN 相關(guān)的拉伸強度可能會降低。應(yīng)用時，BSPDN可以減少拉應(yīng)力作用和硅通孔電極（TSV），導(dǎo)致與金屬層分離。

三星表示，這個問題可以通過降低高度或加寬TSV來解決，但更多在正式宣布解決方案之前，需要進行研究和測試。要成功應(yīng)用 BSPDN，還需要在信號和電力線連接方面取得更多進步。除了上述之外，還需要在化學(xué)機械拋光 (CMP) 技術(shù)方面取得進步。當(dāng)前的 CMP 實施用于從晶圓背面去除 5 至 10 微米的“峰谷”。實施 BSPDN 可能需要一種新的方法來拋光晶圓而不損壞底層功率元件。

三星目前沒有概述基于 BSPDN 的架構(gòu)的正式實施的時間表，但在背面供電領(lǐng)域，另一家制造巨頭也已經(jīng)開始了布局。在 2023 年 VLSI 研討會上，英特爾展示了制造和測試其背面供電解決方案 PowerVia 的過程，并取得了良好的性能測試結(jié)果。英特爾正在大膽下注，在臺積電之前采用 PowerVia，通過使用 RibbonFET （他們對 GAA 的改進）來做到這一點。臺積電插入 BSPDN 最晚可能會在 2026 年發(fā)生，與此同時英特爾希望2024年推出 PowerVia。

英特爾團隊制作了稱為 Blue Sky Creek 的測試芯片，該芯片基于英特爾即將推出的 PC 處理器 Meteor Lake 中的能效核 —— 證明 PowerVia 解決了舊方法造成的兩個問題。現(xiàn)在電源線和互連線可以分離開來并做得更寬，同時改善供電和信號傳輸。

對于普通計算機用戶來說，這意味著降低能效和提高速度。在降低功耗的情況下更快地完成工作，再次延續(xù)摩爾定律的承諾。使用 PowerVia 設(shè)計的英特爾能效核實現(xiàn)了 6% 的頻率增益和超過 90% 的標(biāo)準(zhǔn)單元利用率，調(diào)試時間與 Intel 4 一樣，在可接受的范圍內(nèi)。對于僅僅移動電源線來說，這是“巨大”的頻率提升。

Intel 20A 將是英特爾首個采用 PowerVia 背面供電技術(shù)及 RibbonFET 全環(huán)繞柵極晶體管的節(jié)點，預(yù)計將于 2024 年上半年實現(xiàn)生產(chǎn)準(zhǔn)備就緒，應(yīng)用于未來量產(chǎn)的客戶端 ARL 平臺，目前正在晶圓廠啟動步進（First Stepping）。

審核編輯：劉清