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Intel在IFS Direct Connect 2024重申借先進制程持續推進摩爾定律

2024年03月05日 首頁 » 熱門科技

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副本。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(包含摩爾定律發布之前)。Pat Gelsinger通過4年5節點計劃持續追趕摩爾定律。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棧,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則可改善晶片內信號傳輸品質,達到提高時脈的效果。左圖為傳統晶片構造,電力與信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信號傳輸的瓶頸(紅色線路)。右圖的PowerVia則可緩藉此狀況。PowerVia的關鍵技術之一為使用線徑為目前TSV細500倍的Nano TSV。

Intel在IFS Direct Connect 2024重申借先進制程持續推進摩爾定律


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

由Intel研發團隊出身的Pat Gelsinger在回任首席執行官職位之後,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周年所發布的文章,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。

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Intel在IFS Direct Connect 2024重申借先進制程持續推進摩爾定律


Intel在IFS Direct Connect 2024重申借先進制程持續推進摩爾定律


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

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,企圖追趕與晶片製造、代工競爭對手的進度落差。

Intel 7由原先的Intel 10納米節點的FinFET(鰭式場效電晶體)結構為基礎,優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%的性能增益,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可擴展式處理器。

而Intel 4則是全面使用極紫外光(EUV)微影技術,通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性能表現),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結構為基礎進行優化,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%的電力效率增長幅度。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,尺度將由納米挺進至埃米(Angstrom,1納米等於10埃米),並導入RibbonFET與PowerVia等2項突破性技術。

RibbonFET為Intel實例環繞式閘極(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,能夠在較小的面積其中堆棧更多鰭片,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,並首次於業界實例的背部供電,藉由將供電線路由晶片正面轉移至背面,改善晶片內信號傳輸品質,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為基礎進行優化,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。

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由於目前晶片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「幾納米」比較晶片製程的先進程度,不如回到Performance(性能)、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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