Intel, ilerleyen yıllarda hayatımıza girecek ürünler için kritik rol oynayacak üretim teknolojileri hakkında detaylı bilgiler sağladı. 18A ve 20A (18/20 angstrom, 1.8/2.0nm sınıfı) fabrikasyon süreçlerinin ismini yakın gelecekte sık sık duymaya başlayacağız. Teknoloji devi, bu süreçlerin bir parçası olacak BS PDN (backside power delivery network) çözümü üzerinde de çalışıyor.
Şirket mühendisleri BS PDN’den en iyi şekilde yararlanmak üzere Intel 4+ PowerVia teknolojisini geliştiriyor. Backside (arka taraf) güç çözümü dünyada ilk kez kullanılacak ve çip üretiminde önemli bir kilometre taşını temsil ediyor.
PowerVia Backside Power Delivery
Intel’in 18A ve 20A üretim teknolojileri iki önemli yenilikle birlikte gelecek: RibbonFET gate-all-around field-effect transistörler (GAAFET’ler) ve PowerVia arka taraf güç dağıtım ağı. GAA transistörlerin avantajları ve dezavantajları daha önce konuşulmuştu. Mavi takımın yanı sıra, Samsung ve TSMC gibi diğer yarı iletken şirketleri de GAA tipi transistörler üzerinde mesai harcıyor.
Biz şimdi daha çok PowerVia teknolojisine odaklanacağız. Arka taraf güç 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, halihazırda hiçbir çipte kullanılmasa da zaman içinde standart bir çip özelliği haline gelecek. Yani şimdiden bu tür terimlere alışsanız iyi olur. 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.
Yonga üreticisi, mevcut 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 keşfetti. Özetle bu tekniğin birçok faydası var, ancak arka taraf güç dağıtımını uygulamak ve inşa etmek çeşitli nedenlerden dolayı zorlu bir iş.
Backside PDN Nasıl Kullanılacak?
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 hakkında şu sözleri söyledi:
“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.
PowerVia Testleri
Intel, özellikle 10nm süreç teknolojilerinde sorunlar yaşadığından farklı yaklaşım benimsedi. Şirket RibbonFET GAA transistörler ve PowerVia BS PDN’nin gelişim sürecini birbirinden ayırarak işe başladı. RibbonFET üzerinde normal çalışmaları yapıldı ve ardından PowerVia’da kanıtlanmış FinFET’lerle hata ayıklayarak geliştirme sürecini biraz daha kolaylaştırdılar.
Intel, PowerVia testleri için Intel 4 (7nm) teknolojisini temel alan ve kendini kanıtlamış FinFET transistörleri kullanan özel bir üretim süreci oluşturdu. Aradaki farka gelince, standart süreçlerden ve geleneksel bir iletken ray yerine arka kısım güç rayı kullanıldı. Bu süreç Intel 4 +PowerVia olarak adlandırılıyor ve Blue Sky Creek kod adlı bir çip üzerinde test ediliyor.
Intel’in Blue Sky Creek test işlemcisi, Crestmont mikro mimarisine dayalı dört verimlilik çekirdeği içeren iki yonga kalıbına sahip. Bunlar 1,1 Volt’ta 3 GHz hızında çalışacak şekilde tasarlanmış. Test aracı yalnızca iki amaç için geliştirildi; bunlardan ilki PowerVia BS PDN’nin avantajlarını, verimliliğini ve güvenilirliği test etmek. İkinci ise hata ayıklama dahil olmak üzere yeni güç dağıtım ağıyla ilgili her şeyi test ederek gelecekteki 20A/18A işlem teknolojilerinden kaynaklanan riski ortadan kaldırmak.
Ben Sell farklı detaylar da verdi:
“Normalde ısı dağıtımı için silikon tarafını da kullanırsınız. Transistörleri sıkıştırıyoruz ve soru şu? Termal bir sorun var mı? Çok fazla yerel ısınma oluyor mu? Bu noktada muhtemelen cevabı tahmin edebilirsiniz: hayır.”
Çip üretim sürecindeki en karmaşık kısımlardan biri de hata ayıklama işlemleriydi. Ancak neyse ki Intel’in doğrulama mühendisleri zorlukların üstesinden gelmenin bir yolunu buldu.
“Çok fazla endişe ve tereddüt vardı ve muhtemelen çözülmesi en zor şey buydu; arka taraf güç dağıtımında hata ayıklamanın nasıl yapılacağı merak konusuydu. Test çipi tasarım ekibi, doğrulama ekibinin haberi olmadan çipe kasıtlı olarak bazı bilinçli “hatalar” ekledi. İyi haber şu ki hataları buldular. Son birkaç yılda bu hata ayıklama yeteneklerini geliştirme ve Blue Sky Creek üzerinde kanıtlama konusunda muazzam bir ilerleme kaydettik.”
PowerVia BS PDN 2024’te Geliyor
PowerVia güç dağıtım ağını kullanan ilk halka açık süreç teknolojileri için fazla beklememiz gerekmeyecek. 20A tekniği 2023’ün ikinci yarısında, 18A ise 2024’ün ilk yarısında üretime hazır olacak. Intel’in 20A üretim sürecinde üretilecek ilk tüketici işlemcisi 2024 ortalarına doğru piyasaya sürecek ve Arrow Lake kod adını taşıyacak.
Intel’in 18A ve 20A üretim teknolojileri hem şirketin kendi ürünleri hem de Intel Foundry Services müşterileri için geliştiriliyor. Bu nedenle PowerVia hem Intel hem de farklı şirketlere büyük fayda sağlayabilir. PowerVia BS PDN’nin somut bir fayda sağlayıp sağlamayacağını zaman gösterecek, ancak Intel bu tür çipleri üretmeye hazır ilk şirket olacak. TSMC’nin benzer bir teknolojiyi ancak 2026’nın sonlarında ya da 2027’nin başlarında sunması bekleniyor.
Samsung’un Gate-All-Around (GAA) İlerlemesi
Samsung, 2022 Temmuz ayında Gate-All-Around (GAA) işlem tekniğiyle birlikte 3nm üretim teknolojisini kullanarak yonga üretimine başladığını duyurmuştu. 3nm süreci, 5nm sürecine kıyasla %45 azaltılmış güç kullanımı, %23 geliştirilmiş performans ve %16 daha küçük yüzey alanı sağlayacak. İkinci nesil 3nm işleminde ise bu değerler sırasıyla %50, %30 ve %35’e yükseltilecek.
FinFET için sınırların sonuna gelen Koreli yarı iletken üreticisi, ilk kez uygulanan GAA teknolojisi olan Multi-Bridge-Channel FET (MBCFET) ile birlikte performans sınırları aşmayı hedefliyor. Yeni teknikle birlikte besleme voltajı seviyesi azaltılırken güç verimliliği bir üst noktaya çıkıyor. Aynı zamanda sürücü akımı kapasitesiyle birlikte performans da artıyor.
Samsung, 3GAE çok yönlü alan etkili transistörlerini (GAAFET’ler) çok köprülü kanal alan etkili transistörler (MBCFET’ler) olarak markalıyor. Transistörlerin düşük kaçak akımı, kapı şimdi dört taraftan kanal tarafından çevrelendiğinden dolayı kilit özelliklerden biri olarak ön plana çıkıyor. Diğer bir avantaj ise kanallarda kalınlığın performansı artırmak ve güç tüketimini azaltmak için düzenlenebilir halde olması.
‘İlk üretim’ terimi farklı yorumlanabilir. Özetle, yarı iletken devi şu anda seri üretimin erken bir başlangıç aşamasındaydı. Sonrasında bu teknolojiyle ilgili güncel bir gelişme görmedik.
