2nm突围，背面供电技术的首个战场

电子发烧友网报道（文/周凯扬）对于任何试图将半导体工艺推进至埃米级的晶圆厂而言，GAA和背面供电似乎都成了逃不开的两大技术。GAA和背面供电在满足芯片性能标准的同时，进一步改善了功耗和面积，可以说是高端芯片下一轮实现PPA全面提升的关键。
 
目前绝大多数晶圆厂已经确定了GAA这一晶体管架构上改变，然而在背面供电何时投入应用上，头部三大晶圆厂却没那么坚定。背面供电技术可以有效改善供电线路的空间占用，并减少电力传输过程中造成的损失。照理说这种供电网络方式的改进应该大力普及，但绝大多数晶圆厂似乎都更愿意将这一技术推迟至2nm甚至更晚的节点上。
 
英特尔：率先实现背面供电，与RibbonFET同步
 
作为才进入晶圆代工市场没多久，且此前在工艺水平上落后不少的英特尔，却成了背面供电技术的先行者。在2024年上半年投产的20A节点上，英特尔将成为业界首个将背面供电技术应用于量产节点的厂商，而该节点也将首次引入英特尔的GAA版本，RibbonFET晶体管。
 
早在去年，英特尔就在Blue Sky Creek这一测试芯片验证了PowerVia背面供电技术的优势。Blue Sky Creek是基于英特尔去年底发布的Meteor Lake处理器中能效核（E-Core）打造的，在PowerVia的设计下，核心频率有了5%以上的提升，单元密度达到90%以上。

英特尔工艺路线图 / 英特尔

 
根据英特尔说法，由于PowerVia这类背面供电技术减少了互联层这个生产成本最高、工序较为复杂的部分，也就意味着在先进工艺上的制造成本会有所减少，同时EUV参与的工作量也会一并减少。
 
尽管如此，良率依然是英特尔最关心的，要想真正做到大规模量产，良率达标才是该工艺节点正式投入使用的标志。英特尔在去年试验阶段的目标是让基于PowerVia的Intel 4芯片与九个月前的Intel 4芯片良率匹配。随后在Intel 20A上达到类似的良率目标，并用于今年发售的Arrow Lake处理器上。
 
台积电：2025年进入开始采用GAAFET，但背面供电缺席2nm
 
今年4月的北美技术研讨会上，台积电也对其工艺路线图进行了更新，不过在时间节点上的计划并没有改变：基于第一代GAAFET技术的N2节点将于2025年下半年开始量产，而新能改良版的N2P将于2026年末接替N2的位置，同年也会推出电压加强版的N2X节点。

台积电SPR技术 / 台积电

 
不过有趣的是，台积电的技术路线发生了改变，N2P不再加入此前宣布的背面供电技术，台积电决定将该技术的应用推迟至A16节点。在台积电2023年的路线图中，N2P基于N2节点的改善之一就是加入SPR背面供电技术，不过好在A16节点的投产目标也在2026年，只不过预计在年末的时段。
 
台积电对其背面供电技术的命名为Super Power Rail（SPR），并表示该技术最适合用于HPC产品，因为此类产品往往具备复杂的信号路线和密集的供电网络。相较于N2P，A16在背面供电技术的加持下，可以实现在同电压下8%-10%的速度提升，在同样的速度下可以将功耗降低15%-20%，芯片密度则会实现1.07至1.1倍的提升。
 
根据台积电的说法，他们的SPR技术直接将背面供电网络与每个晶体管的源极和漏极相连，就面积效率而言这是最有效的一个技术路线，在生产方面，这是最复杂或者说最昂贵的一条路线，或许也是因为考虑到成本和效率之类的原因，台积电才决定将其延后至A16节点。
 
与另外两家不同的是，台积电并没有披露更多2nm之后的工艺节点，目前只有一个A16节点，而三星和英特尔都已经公开了在1.4nm工艺上的计划。台积电是否在进入埃米时代后，继续保持性能、良率和产量上的三重优势，依然值得我们持续关注。
 
三星：改良版2nm，PPA全面提升
 
在2024年之前，三星的计划是在SF1.4这一1.4nm节点上用上背面供电技术，如果以过去的工艺路线图来看，三星在2027年才会将背面供电技术集成在最新工艺上，明显要晚于另外两家竞争对手。但三星在背面供电技术上的研究早就开始了，去年他们也为两个基于Arm架构的测试芯片实现了背面供电，虽然并没有透露工艺节点，但三星表示在测试的两个节点下分别实现了10%和19%的芯片面积减少。

三星最新工艺路线图 / 三星

 
然而在近日举办的三星北美SFF大会上，三星发布了全新的工艺路线图，主要是在2nm节点上进行了更新。从原先的SF2和SF2P两个节点，再增加三个节点，分别是SF2X、SF2Z和SF2A。其中SF2和SF2P依然是针对移动应用打造，而SF2X和SF2Z则是为了HPC/AI应用打造，同时三星也把背面供电率先集成在SF2Z上，SF2A则是针对汽车应用打造的节点。
 
SF2和SF2P两大节点分别计划25年和26年量产，SF2X计划26年量产，而SF2Z和SF2A分别定在27年量产。由此看来，虽然路线图有所更新，但三星依然是最后一个用上背面供电技术的晶圆厂，作为从2022年起就开始生产GAA的晶圆厂，三星在GAA的技术成熟度上应该不输其他两家。
 
三星在本次SFF大会上，也再次保证1.4nm的SF1.4工艺准备工作仍在稳步进行，性能和良率目标不变，且与SF2Z一样，预计于2027年进入大规模量产。作为“超越摩尔”工作的一环，三星也在持续寻求材料和架构上的创新，从而在1.4nm之后的工艺上实现突破。
 
被谨慎对待的背面供电技术
 
与传统的正面供电技术相比，背面供电技术无疑可以提高芯片性能，有的甚至还能进一步降低成本，但在技术成熟前，晶圆厂面临的是良率、可靠性、散热和调试性能上可能存在的多重问题，所以绝大多数晶圆厂仍在权衡，或许今年下半年英特尔推出的Arrow Lake处理器能给我们一个参考。
 
与此同时，晶体管密度也可能不再是划分先进与成熟工艺的唯一标准，从这三家厂商的路线图来看，即便未来进一步改进的3nm或4nm节点，很可能还是会继续使用FinFET和传统正面供电技术。