Intel 2nm’ye geçiş yapıyor: 18A nedir, farkı ne?

Çip üretim teknolojileri nanometre düzeyinin altına inmeye gittikçe yaklaşıyor. Detaylarını tüm teferruatıyla anlattığımız Core Ultra Series 3 “Panther Lake” işlemciler, Intel’in 18A teknolojisiyle üretilecek. İsimlendirmenin 18A şeklinde olduğuna bakmayın, şirket bu tekniği yüksek hacimli üretime ulaşan ilk 2nm (aslında 1.8nm) sınıfı süreç olarak lanse ediyor.

Hatırlayacak olursanız Intel, 2021 yılında nanometre isimlendirmesine son vermişti. En son “Intel 3” adını alan “3nm” teknolojisine geçiş yapılmıştı. Şimdi ise 18A, diğer adıyla 2nm dönemi başlıyor. Bu Intel için önemli bir kilometre taşı. Başka bir deyişle, rakipleri henüz 2nm’ye geçmeden Intel bunu başarmış oldu. TSMC henüz N2’ye (2mm), Samsung ise SF2’ye (2mm) geçiş yapmış değil.

Elbette önceliği almak kalıcı bir liderlik anlamına gelmiyor. Müşteriler, iş ortakları ve yatırımcılar, Intel’in verim seviyesini koruma, birim başına üretim maliyet kontrolü ve 18A’yı sınırlı hesaplama alanlarının ötesine taşıma becerisine bakacak. Her şey daha yeni başlıyor, ancak yine de şirket 2nm’de hacimli üretime başlayan ilk şirket olarak kayıtlara geçti.

Yarı iletken üretim teknolojisi nedir? Çiplerde ‘nm’ ne anlam taşıyor?

Panther Lake bu sebeple oldukça önemli bir mimari. Yeni işlemciler, Intel’in rekabetçi ürünler geliştirme ve bunu en üstün teknolojileri kullanarak şirket içinde üretme yeteneğini göstermesi açısından önemli. Neyse, sözü fazla uzatmadan 18A’nın alameti farikasına bakalım.

18A nedir, farkı ne?

Söylediğimiz gibi Intel 18A, çip üreticisinin yeni nesil “2nm” sürecine taktığı isim. Açılımı ise 18 Angstrom şeklinde. İsimlendirmedeki 18 aslında 1.8nm’ye atıfta bulunmak için kullanılsa da, genel olarak yeni teknik 2nm ailesine mensup olduğu için biz böyle bahsedeceğiz. İnternet ortamında bazen 2nm, bazen de 1.8nm şeklinde lanse edildiğini görebilirsiniz.

Bu süreçten doğan ilk CPU ailesi ise Panther Lake olacak. Panther Lake’in CPU kısmı, yani çekirdeklerin olduğu bölüm Intel’in 2nm’ye eşdeğer işlem teknolojisi olarak adlandırdığı 18A üzerine inşa edilecek. Son tüketicilerin yanı sıra, “Clearwater Forest” veri merkezi silikonları da 18A’nın imzasını taşıyacak.

18A platformu iki önemli yeniliği bir araya getiriyor: Intel’in RibbonFET olarak adlandırdığı gate-all-around (GAA) transistörler ve PowerVia olarak adlandırılan arka kısım güç dağıtım ağı. Bu iki faktör, 18A’nın sağladığı transistör yoğunluğu ve daha yüksek verimliliğinin merkezinde yer alıyor.

FinFET (fin field-effect transistor, kanat alan etkili transistör) teknolojisi, düzlemsel tasarımdan farklı olarak transistörlere 3 boyutlu bir tasarım getirmişti. FinFET ile sinyal sızıntısını azaltmak için transistör kapısını saran elektrik akımı için transistöre kanat şeklindeki bir “kanal” eklendi. Bu arada sinyal sızıntısı, transistörleri bir çip içinde çok yoğun bir şekilde sıkıştırmanın önündeki büyük bir engel. FinFET yaklaşık on yıl önce ortaya çıktı ve endüstri standardı haline geldi, uzun süre kullanıldı. Tipik bir dizüstü bilgisayardaki CPU’nun içinde milyarlarca FinFET transistör çalışıyor.

CPU’daki transistörlerin küçültülmesindeki ana sınırlamalardan en önemlisi kapılardaki (gate) sızıntı. Intel’e göre, önümüzdeki on yıl için ileriye dönük yol, transistör geçidinin sızıntıyı daha da sınırlamak için tamamen mikro ince bir tabaka ile kaplandığı RibbonFET veya “gate all around” teknolojisi. Bu, tasarımcılara daha fazla esneklik sağlıyor ve geçit kontrolünü geliştiriyor.

Yonga üreticisi, hem RibbonFET hem de diğer önemli teknoloji olan PowerVia’yı kullanan ilk dökümhane olduklarını vurguluyor. PowerVia teknolojisinin kısa özeti, gücün yonganın arka tarafından iletilmesi. Güç ve sinyal hatlarının farklı gereksinimleri var ve güç hatlarını arka tarafa yerleştirerek gücü alttan paket üzerinden transistörlere iletmek, sinyal hatlarının daha fazla yayılmasını sağlamakta. Arka taraftan güç iletimi ayrıca paketten kaynaklanan güç kaybını da azaltıyor.

Genel endişe PowerVia’nın yüksek maliyetli olması. Ancak 18A mimarisi, başından itibaren “arka kısım güç dağıtım ağı” için optimize edildi. Intel, PowerVia’nın kullanımının Intel 3’e (önceki işlem teknolojisi) kıyasla watt başına performansta önemli artışlar ve ayrıca önemli ölçüde daha yoğun çipler sağladığını iddia ediyor. 18A işlemine dayanan ABD’nin Arizona ve Oregon eyaletlerindeki tesislerde üretilmekte. Bir not olarak, bu son işlem teknolojisinin dış fabrikalara verilmediği söyleniyor.

Intel, RibbonFET’i “en üstün transistör” olarak tanımlıyor ki bu iddialı bir söylem. Transistörlerin geçiş yapısı, şirketin “kanal üzerinde tam kontrol” olarak adlandırdığı özelliğe sahip. Kapı yapısı kanalın altına uzanmayan ve bu nedenle kaçak akımı kontrol etmek için “zayıf bir noktaya” sahip olan FinFET’lere kıyasla, RibbonFET kapı yapısı kanalı tamamen sarıyor ve transistör kapalıyken istenmeyen kaçak akımı en aza indiriyor. Diğer önemli özelliklerin yanı sıra, daha az kaçak akım çip çalışırken daha az enerji israfı sağlıyor.

Mavi ekip ayrıca RibbonFET’in tasarımcılar için FinFET’ten daha esnek olduğunu iddia ediyor. Şeritlerin sayısı ve genişlikleri, transistörün performans özelliklerini belirli bir hücrenin ihtiyaçlarına göre uyarlayacak şekilde ayarlanabiliyor.

Intel’in arka kısım güç dağıtım ağının uygulaması olan PowerVia, yonga üretimine ikinci bir yenilikçi yaklaşım getiriyor. Silikon işlemleri gün geçtikçe giderek daha yoğun hale gelmekte. Transistörlerin üzerinde hem sinyal hem de güç kablolarını verimli bir şekilde yönlendirmek, giderek daha değerli hale gelen alan konusuyla birlikte giderek daha zor hale geldi. Transistörün üzerine hem güç hem de sinyal kabloları yerleştirmek yerine, arka tarafta güç dağıtımı yaklaşımı ilk olarak transistörleri ve sinyal kablolarını yonga plakasının ön tarafında bir araya getiriyor. Bir sonraki üretim adımında, yonga plakası ters çevriliyor ve transistör kontakları ortaya çıkana kadar arka taraf cilalanıyor. Ardından, güç dağıtımı metal katmanları doğrudan transistörlere bağlanıyor.

Çip üreticisi, PowerVia’nın yonga plakasının ön tarafında %10 daha yüksek yoğunluk ve daha rahat yönlendirme sağladığını belirtiyor. Güç iletimi için, arka taraf metal katmanları paketten transistöre giden güç kaybını %30 oranında azaltmakta. Sonuç olarak 18A, Intel 3 ile aynı güçte %15 daha yüksek frekans ve aynı sürece kıyasla 1,3 kat daha yüksek yoğunluk sağlayabiliyor. Tasarımcılar ayrıca, Intel 3 ile karşılaştırıldığında aynı performans seviyesinde %25 güç azaltımı sağlamak için 18A’nın gelişmelerinden faydalanma imkanına sahip.

PowerVia nedir?

Büyük önem arz eden PowerVia teknolojisine biraz daha derinlemesine bakalım. Arka taraf güç ağı (veya rayı), güç hatlarını yonga plakasının arkasına kaydırarak güç ve I/O kablolarını ayırmayı amaçlıyor. Bu yöntem, hattın arka ucundaki (BEOL) direnç artışları gibi sorunların giderilmesini sağlayacak. Sonuç olarak transistörlerin hem performansı hem verimliliği artacak. Ayrıca veri ve güç kabloları arasındaki olası parazitleri ortadan kalkacak ve mantıksal transistör yoğunluğu artacak.

BD PDN, zaman içinde standart bir çip özelliği haline gelecek. Geçmişte yonga üretim teknolojileri konusunda bazı önemli adımlar atılmıştı. Intel, BD PDN’yi 2003 yılındaki 90nm gergin silikon, 2007 yılındaki 45nm Hafniyum tabanlı high-K metal geçit ve 2012 yılında geliştirilen 22nm FinFET teknolojileri gibi büyük atılımlarla eşdeğer tutuyor.

Şirket bu teknolojilerin hazırlığına yıllar öncesinde başladı. Şirket eski işlem teknolojisiyle üretilen bir test yongasında bu teknolojiyi kullandığında saat hızının %6-7 oranında arttığını, IR voltajının %30 azaldığını ve verimlilik çekirdeklerinin geniş alanlarında hücre kullanımının %90’ın üzerine çıktığını keşfetmişti. Özetle bu tekniğin birçok faydası var, ancak arka taraf güç dağıtımını uygulamak ve inşa etmek çeşitli nedenlerden dolayı zorlu bir iş.

Arka taraf güç dağıtım ağı inşa etmek geleneksel olarak kullanılan ön taraf güç dağıtım çözümlerine göre çok farklı. Bugünlerde en gelişmiş çiplerin üretimi bile oldukça basit. Her yonga plakasının üretimi, EUV tarayıcıları gibi en gelişmiş üretim araçlarının sağladığı imkanlarla birlikte 30nm’ye kadar küçük boyutlara sahip karmaşık M0 transistör katmanından başlıyor. Daha sonra üreticiler daha az karmaşık transistör katmanları inşa ederek, tüm katmanları birbirine bağlamaları ve tüm transistörlere güç vermeleri gerektiğinden boyutları kademeli olarak artırıyorlar.

G/Ç ve güç için kullanılan gerçek fiziksel kablolar transistör katmanlarıyla karşılaştırıldığında devasa görünüyor ve her yeni nesilde bunları düzgün bir şekilde yönlendirmek daha zor ve daha maliyetli hale geliyor.

Intel PowerVia BS PDN ile geliştirilen bir silikon disk plaka işlenirken tüm karmaşık mantık katmanlarının yanı sıra sinyal kabloları üretiliyor, ardından yonga plakası çevreleniyor ve güç dağıtım ağının ‘üstüne’ inşa ediliyor. Bununla birlikte, PDN’yi mantıksal transistörlerin üzerine dahil ederken plakadan fazla silikon çıkarılıyor, CMP temizliği, metroloji, litografi ve aşındırma dahil olmak üzere birçok işlem yapılıyor. Tüm bu süreçler de doğal olarak maliyetleri artırıyor.

Intel Teknoloji Geliştirme Başkan Yardımcısı Ben Sell,” geleceğin teknolojisi” olarak nitelendirilen güç geliştirmeleri hakkında zamanında şu sözleri söylemişti:

“Daha önce olduğu gibi önce transistörler inşa ediliyor, daha sonra ara bağlantı katmanları ekleniyor. Şimdi işin eğlenceli kısmı: Wafer’ı ters çeviriyoruz ve güç kabolarının bağlanacağı alt katmanı ortaya çıkarmak için her şeyi parlatıyoruz. Biz buna silikon teknolojisi diyoruz, ancak bu yonga plakalarında kalan silikon miktarı gerçekten çok az.”

PowerVia teknolojisinde göz önünde bulundurulması gereken birkaç faktör var. İlk olarak üretim süreci büyük ölçüde değişiyor, bu nedenle Intel radikal değişikliklere rağmen yüksek verim sağlamanın bir yolunu bulmak için araştırmalar yaptı. İkincisi unsura gelince, Backside PDN’nin mevcut PDN kadar güvenilir olması ve amaçlandığı gibi çalışması gerekiyordu. Üçüncüsü, I/O ve güç kabloları artık transistörlerin her iki tarafına yayıldığından, ileride çipleri soğutmak daha da zorlaşacak. Son olarak, Intel’in transistör katmanlarına erişmek için arka taraftaki güç ara bağlantılarını kaldırması gerektiğinden çiplerde sorunlu bölümleri keşfetmek önemli ölçüde zorlaşacak.

PowerVia sürecinin bir başka özelliği daha var. Intel silikon disk plakanın arkasından aşırı miktarda silikon çıkardığı için sertliğini kaybettiğine inanıyor, bu nedenle yapıyı bir arada tutmak için yonga plakasının sinyal tarafına bir taşıyıcı yonga plakası bağlıyor. Bu taşıyıcı wafer da eninde sonunda inceltiliyor, ancak bunun eklenmesi de karmaşık bir süreç adımı.

Intel’in PowerVia güç dağıtım ağı ile ilgili bir başka husus da BS PDN ile gömülü güç rayları kullanmaması. Bunun yerine gücü doğrudan transistör katmanına iletmek için nano ölçekli silikon yollara (TSV’ler) güvenecekler. Şirketin teknolojisini PowerVia olarak adlandırmasının nedeni de bu.

Intel 18A vs TSMC N2 (2nm)

18A üretim teknolojisi yalnızca CPU’lar üretmek için değil, aynı zamanda TSMC ve Samsung gibi dökümhanelere bir yanıt olarak tasarlandı. Intel yeni süreç teknolojileriyle şirket içinde neler yapabileceğini de kanıtlamış oldu. 18A, TSMC N2’den aylar önce yüksek hacimli üretime giren ilk 1,8nm sınıfı (veya Intel’in markalaştırdığı şekliyle 2nm sınıfı) üretim teknolojisi konumunda.

Analistler, Intel 18A’nın performans ve güç verimliliği açısından sektörde lider olacağına inanıyor. Ancak raporlara göre TSMC N2, Intel 18A’ya (238 MTr/mm^2) kıyasla önemli ölçüde daha yüksek standart hücre transistör yoğunluğu (313 MTr/mm^2) sunacak.

Intel 18A’da ön taraf neredeyse tamamen sinyal ara bağlantıları ve mantık transistörleri için ayırılırken, TSMC N2 güç dağıtımı için ön tarafta bol miktarda transistör kullanıyor (güç kapılama başlık/alt bilgi anahtarları, ESD, MOS decap’leri, kalıp üstü regülatörler vb.). Sonuç olarak, 18A ve N2’nin etkin transistör yoğunlukları birbirine çok yakın olabilir. Öte yandan, wafer’ı ters çevirip arka tarafta bir güç dağıtım ağı oluşturmak maliyetli olduğundan, 18A rakiplerinden daha pahalı olacak.

Angstrom nedir?

1 angstrom, 0.1 nanometreye eşit olan 1nm altı bir ölçüm birimi. Ancak Intel, 18A teknolojisindeki A harfinin angstrom anlamına gelmesine rağmen bunun ölçümü değil sadece mimariyi ifade eden bir isim olduğunu belirtmişti. Bu açıklama yıllar önce yapılmıştı.