正如英特爾公司CEO Pat Gelsinger所言：“我們正在加快制程工藝創(chuàng)新的路線圖,，以確保到2025年制程性能再度領(lǐng)先業(yè)界。”

在今日凌晨舉辦的先進(jìn)工藝及封裝技術(shù)大會上，除了公布有史以來最詳細(xì)的制程技術(shù)路線圖以及公司在封裝、晶圓代工、極紫外光刻（EUV）工藝上的規(guī)劃以外，英特爾還宣布了一個令人震驚的消息：將為高通提供代工服務(wù),，這還是開天辟地頭一次。高通也將因此成為英特爾重整代工業(yè)務(wù)以來最大、最具重量級的客戶,。

全新的制程節(jié)點命名體系

據(jù)Pat Gelsinger介紹,，從2021年至2025年，英特爾計劃每年至少都將推出一款新的中央處理器（CPU）,，而且每一款都將基于比前一代更先進(jìn)的晶體管技術(shù),。英特爾公司還公布了未來四年將要推出的5個制程工藝發(fā)展階段，包括10nm,、7nm,、4nm、3nm以及20A,。這次,，英特爾還為其制程節(jié)點引入了全新的命名體系，其中包含新的節(jié)點命名和實現(xiàn)每個制程節(jié)點的創(chuàng)新技術(shù)如下：

圖片源自英特爾視頻會議截圖

●Intel 7（此前稱之為10nm Enhanced SuperFin）

通過FinFET晶體管優(yōu)化,，每瓦性能比英特爾10納米SuperFin提升約10％ － 15％,，優(yōu)化方面包括更高應(yīng)變性能、更低電阻的材料,、新型高密度蝕刻技術(shù),、流線型結(jié)構(gòu)，以及更高的金屬堆棧實現(xiàn)布線優(yōu)化,。Intel 7將在這些產(chǎn)品中亮相：于2021年推出的面向客戶端的Alder Lake,，以及預(yù)計將于2022年第一季度投產(chǎn)的面向數(shù)據(jù)中心的Sapphire Rapids。

●Intel 4（此前稱之為Intel 7nm）

與Intel 7相比,，Intel 4的每瓦性能提高了約20％ ,，它是首個完全采用EUV光刻技術(shù)的英特爾FinFET節(jié)點，EUV采用高度復(fù)雜的透鏡和反射鏡光學(xué)系統(tǒng),，將13．5納米波長的光對焦,，從而在硅片上刻印極微小的圖樣。相較于之前使用波長為193納米的光源的技術(shù),，這是巨大的進(jìn)步,。Intel 4將于2022年下半年投產(chǎn)，2023年出貨,，產(chǎn)品包括面向客戶端的Meteor Lake和面向數(shù)據(jù)中心的Granite Rapids,。

● Intel 3

Intel 3將繼續(xù)獲益于FinFET，較之Intel 4,，Intel 3將在每瓦性能①上實現(xiàn)約18％的提升,。這是一個比通常的標(biāo)準(zhǔn)全節(jié)點改進(jìn)水平更高的晶體管性能提升,。Intel 3實現(xiàn)了更高密度,、更高性能的庫；提高了內(nèi)在驅(qū)動電流；通過減少通孔電阻,，優(yōu)化了互連金屬堆棧,；與Intel 4相比，Intel 3在更多工序中增加了EUV的使用,。Intel 3將于2023年下半年開始生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品,。

●Intel 20A

PowerVia和RibbonFET這兩項突破性技術(shù)開啟了埃米時代。PowerVia是英特爾獨有,、業(yè)界首個背面電能傳輸網(wǎng)絡(luò),，它消除晶圓正面的供電布線需求，優(yōu)化信號布線,，同時減少下垂和降低干擾,。RibbonFET是英特爾研發(fā)的Gate All Around晶體管，是公司自2011年率先推出FinFET以來的首個全新晶體管架構(gòu),，提供更快的晶體管開關(guān)速度,，同時以更小的占用空間實現(xiàn)與多鰭結(jié)構(gòu)相同的驅(qū)動電流。Intel 20A預(yù)計將在2024年推出,。

●Intel 18A

從Intel 20A更進(jìn)一步的Intel 18A節(jié)點也已在研發(fā)中,，將于2025年初推出，它將對RibbonFET進(jìn)行改進(jìn),，在晶體管性能上實現(xiàn)又一次重大飛躍,。

為何要如此命名？

一直以來,，芯片業(yè)界都是采用基于納米的方式對傳統(tǒng)制程節(jié)點進(jìn)行命名,，英特爾此次引入全新的名字體系有何深意？實際上,，英特爾一直沿用這種歷史模式,，即使用反映尺寸單位（如納米）的遞減數(shù)字來為節(jié)點命名。但在如今整個行業(yè)使用著各不相同的制程節(jié)點命名和編號方案的情況下,，這些多樣的方案既不再指代任何具體的度量方法,，也無法全面展現(xiàn)如何實現(xiàn)能效和性能的最佳平衡。

為此,，英特爾引入了基于關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)——包括性能,、功耗和面積等的新命名體系。從上一個節(jié)點到下一個節(jié)點命名的數(shù)字遞減,，反映了對這些關(guān)鍵參數(shù)改進(jìn)的整體評估,。同時，隨著芯片工藝制程逼近極限,，行業(yè)越來越接近“1nm”節(jié)點的局面下,，英特爾改變命名方式以更好地反映全新的創(chuàng)新時代,。比如在Intel 3之后的下一個節(jié)點被命名為Intel 20A，這一命名反映了向新時代的過渡,，即工程師在原子水平上制造器件和材料的時代——半導(dǎo)體的埃米時代,。這種命名體系將創(chuàng)建一個清晰而有意義的框架，來幫助行業(yè)和客戶對整個行業(yè)的制程節(jié)點演進(jìn)有更準(zhǔn)確的認(rèn)知,，進(jìn)而做出更明智的決策,。這也是為了順應(yīng)英特爾代工服務(wù)（IFS）的推出，以便于讓客戶比以往都更加清晰了解情況,。

兩大創(chuàng)新性技術(shù)：RibbonFET和PowerVia

英特爾在演講中提到,，公司將于2024年上半年推出的Intel 20A會成為制程技術(shù)的又一個分水嶺。它擁有兩大開創(chuàng)性技術(shù)——RibbonFET的全新晶體管架構(gòu),，名為PowerVia的史無前例的創(chuàng)新技術(shù),，可優(yōu)化電能傳輸。

全新晶體管架構(gòu)RibbonFET

在上文中我們提到,，步入Intel 20A階段,，英特爾的工藝名稱指的是埃而不是納米，這也意味著英特爾將從FinFET設(shè)計過渡到一種新的晶體管（GAAFET）,，而英特爾將其稱之為RibbonFET（也有的芯片廠商將其稱為MCBFET）,。人們預(yù)計,，隨著摩爾定律逼近極限,，F(xiàn)inFET設(shè)計無法再為先進(jìn)工藝制程提供支持時，GAAFET設(shè)計將會成為主流,。相比之下,，F(xiàn)inFET依賴于源極／漏極的多個量化鰭片和多個鰭片軌跡的單元高度，而GAAFET支持可變長度的單個鰭片,，從而允許在功率,、性能或面積方面優(yōu)化每個單獨單元器件的電流。

據(jù)英特爾介紹,，RibbonFET是一個Gate All Around晶體管,，從設(shè)計上看，這個全新設(shè)計將柵極完全包裹在通道周圍,，可實現(xiàn)更好的控制,，并在所有電壓下都能獲得更高的驅(qū)動電流。新的晶體管架構(gòu)加快了晶體管開關(guān)速度,，最終可打造出更高性能的產(chǎn)品,。通過堆疊多個通道，即納米帶,，可以實現(xiàn)與多個鰭片相同的驅(qū)動電流,，但占用的空間更小,。通過對納米帶的部署，英特爾可以使得帶的寬度可以被調(diào)整,，以適應(yīng)多種應(yīng)用,。

早在去年的國際VLSI會議上英特爾就曾披露過關(guān)于GAAFET設(shè)計的相關(guān)信息,，當(dāng)時被告知英特爾批量實施GAAFET設(shè)計的時間會在5年內(nèi),。如今，英特爾的20A工藝將采用RibbonFET設(shè)計,，根據(jù)上述路線圖,，很可能在2024年底實現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn),。

當(dāng)然,，GAAFET設(shè)計也并非英特爾獨家專屬，臺積電預(yù)計將在2nm工藝上采用GAAFET設(shè)計,，而三星將在其3nm工藝節(jié)點中引入GAAFET設(shè)計,。其中三星可能是第一個邁入GAAFET大門的。

全新背面電能傳輸網(wǎng)絡(luò)PowerVia

另外一項全新技術(shù)——PowerVia,，這是由英特爾工程師開發(fā)的全新背面電能傳輸網(wǎng)絡(luò),，也將在Intel 20A中首次采用。眾所周知,，現(xiàn)代電路的制造過程從晶體管層M0作為最小層開始,，在此之上以越來越大的尺寸添加額外的金屬層，以解決晶體管與處理器不同部分之間所需的所有布線,。這種傳統(tǒng)的互連技術(shù)產(chǎn)生的電源線和信號線的互混,，導(dǎo)致了布線效率低下的問題，會影響性能和功耗,。通過PowerVia技術(shù),，英特爾把電源線置于晶體管層的下面，通過消除晶圓正面的電源布線需求,，可騰出更多的資源用于優(yōu)化信號布線并減少時延,。通過減少下垂和降低干擾，也有助于實現(xiàn)更好的電能傳輸,。該技術(shù)降低了設(shè)計上的IR壓降,，這在更先進(jìn)的工藝節(jié)點技術(shù)上越來越難以實現(xiàn)以提高性能。當(dāng)該技術(shù)在高性能處理器上大量使用時,，將會很有趣,。

更加先進(jìn)的封裝路線圖

●EMIB：首個2．5D嵌入式橋接解決方案

自2017年以來，英特爾一直在出貨EMIB產(chǎn)品,，EMIB技術(shù)專為布局在2D平面上的芯片到芯片連接而設(shè)計,。它將中介層和基板結(jié)合,，使用小型硅片并將其直接嵌入基板中，英特爾將其稱為橋接器,。橋?qū)嶋H上是兩半,，每邊有數(shù)百或數(shù)千個連接，并且芯片被構(gòu)建為連接到橋的一半?，F(xiàn)在,，兩個芯片都連接到該橋接器，具有通過硅傳輸數(shù)據(jù)的好處,，而不受大型中介層可能帶來的限制,。如果需要更多帶寬，英特爾可以在兩個芯片之間嵌入多個橋接器,，或者為使用兩個以上芯片的設(shè)計嵌入多個橋接器,。此外，該橋的成本遠(yuǎn)低于大型中介層,。在 EMIB 的路線圖方面,，英特爾將在未來幾年減少凸點間距。當(dāng)芯片連接到嵌入在基板中的橋時,，它們通過凸塊連接,，凸塊之間的距離稱為間距——凸塊間距越小，在同一區(qū)域內(nèi)可以建立的連接越多,。這允許芯片增加帶寬或減小橋接尺寸,。

●Foveros：首個3D堆疊解決方案

英特爾于2019年通過Lakefield推出了其芯片到芯片堆疊技術(shù)，3D堆疊在很大程度上與 EMIB 部分中提到的中介層技術(shù)非常相似,。通過將硅片放在彼此的頂部,，完整的3D堆疊方式帶來的好處包括，數(shù)據(jù)路徑更短,，功率損耗更少,，時延更低。據(jù)介紹,，Meteor Lake是在客戶端產(chǎn)品中實現(xiàn)Foveros技術(shù)的第二代部署,。該產(chǎn)品具有36微米的凸點間距，不同晶片可基于多個制程節(jié)點,，熱設(shè)計功率范圍為5－125W,。

●Foveros Omni：第三代Foveros技術(shù)

Foveros Omni允許頂部裸片從基礎(chǔ)裸片懸垂，銅柱從基板一直延伸到頂部裸片以提供電源,，通過高性能3D堆疊技術(shù)為裸片到裸片的互連和模塊化設(shè)計提供了無限制的靈活性,。Foveros Omni允許裸片分解，將基于不同晶圓制程節(jié)點的多個頂片與多個基片混合搭配,，預(yù)計將于2023年用到量產(chǎn)的產(chǎn)品中,。

● Foveros Direct：第四代 Foveros

Foveros Direct實現(xiàn)了向直接銅對銅鍵合的轉(zhuǎn)變,，它可以實現(xiàn)低電阻互連，并使得從晶圓制成到封裝開始,，兩者之間的界限不再那么截然,。Foveros Direct實現(xiàn)了10微米以下的凸點間距，使3D堆疊的互連密度提高了一個數(shù)量級,，為功能性裸片分區(qū)提出了新的概念,，這在以前是無法實現(xiàn)的。Foveros Direct是對Foveros Omni的補充,，預(yù)計也將于2023年用到量產(chǎn)的產(chǎn)品中,。

英特爾在極紫外光刻（EUV）工藝上的新規(guī)劃

在演講者,，英特爾還提到了關(guān)于極紫外光刻（EUV）工藝上的新規(guī)劃,，英特爾將成為光刻機(jī)龍頭ASML下一代EUV技術(shù)（High－NA EUV）的主要客戶。英特爾有望率先獲得業(yè)界第一臺High－NA EUV光刻機(jī),，并計劃在2025年成為首家在生產(chǎn)中實際采用High－NA EUV的芯片制造商,。

據(jù)悉，High－NA EUV光刻機(jī)的目標(biāo)是將制程推進(jìn)到1nm及以下,。在ASML的規(guī)劃中,，第二代EUV光刻機(jī)的型號將是NXE：5000系列，其物鏡的NA將提升到0．55,，進(jìn)一步提高光刻精度,，半導(dǎo)體工藝想要突破1nm制程，就必須靠下一代光刻機(jī)（High－NA EUV）,。不過這也將更加昂貴,，曾傳出其成本超過一架飛機(jī)，約3億美元,。

High－NA EUV光刻機(jī)的演進(jìn)也并非一帆風(fēng)順,，未來工藝節(jié)點向高數(shù)值孔徑光刻的過渡不僅需要來自系統(tǒng)供應(yīng)商（例如 ASML）的巨大工程創(chuàng)新，還需要對合適的光刻膠材料進(jìn)行高級開發(fā),。EUV 光刻演化的一個經(jīng)常被低估的方面是相應(yīng)光刻膠材料的相應(yīng)開發(fā)工作,，尋找合適的光刻膠必須與系統(tǒng)開發(fā)同時進(jìn)行。ASML預(yù)計將在2022年完成第一臺High－NA EUV光刻機(jī)系統(tǒng)的驗證,，并計劃在2023年交付給客戶,。ASML宣布，它現(xiàn)在預(yù)計High－NA 設(shè)備將在 2025 年或 2026 年（由其客戶）進(jìn)入商業(yè)量產(chǎn),。如三星,、臺積電和英特爾等的客戶們也一直呼吁開發(fā)High－NA 生態(tài)系統(tǒng)以避免延誤。

牽手高通AWS

在客戶方面,，英特爾宣布,，AWS亞馬遜云將成為首個采用英特爾代工服務(wù)（IFS）先進(jìn)封裝解決方案的客戶,，而高通將成為采用Intel 20A先進(jìn)制程工藝的客戶，這還是開天辟地頭一次,。

眾所周知,，高通在手機(jī)芯片市場占據(jù)主導(dǎo)，該公司將使用英特爾的20A芯片制造工藝,，并借助新的晶體管技術(shù)來降低芯片能耗,。不過這件事還有點遙遠(yuǎn)，如果不跳票的話,，也要在2024年以后才能看到高通采用英特爾的20A工藝,，也就是說咱們至少還得等待3年。