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?！?/p>

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(gè)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(diǎn)命名體系

據(jù)Pat Gelsinger介紹，從2021年至2025年，英特爾計(jì)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(gè)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(diǎn)引入了全新的命名體系，其中包含新的節(jié)點(diǎn)命名和實(shí)現(xiàn)每個(gè)制程節(jié)點(diǎn)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(shí)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(jì)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(gè)完全采用EUV光刻技術(shù)的英特爾FinFET節(jié)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)約18％的提升。這是一個(gè)比通常的標(biāo)準(zhǔn)全節(jié)點(diǎn)改進(jìn)水平更高的晶體管性能提升。Intel 3實(shí)現(xiàn)了更高密度、更高性能的庫；提高了內(nèi)在驅(qū)動(dòng)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(xiàng)突破性技術(shù)開啟了埃米時(shí)代。PowerVia是英特爾獨(dú)有、業(yè)界首個(gè)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(shí)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(gè)全新晶體管架構(gòu)，提供更快的晶體管開關(guān)速度，同時(shí)以更小的占用空間實(shí)現(xiàn)與多鰭結(jié)構(gòu)相同的驅(qū)動(dòng)電流。Intel 20A預(yù)計(jì)將在2024年推出。

●Intel 18A

從Intel 20A更進(jìn)一步的Intel 18A節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)進(jìn)行命名，英特爾此次引入全新的名字體系有何深意？實(shí)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(diǎn)命名。但在如今整個(gè)行業(yè)使用著各不相同的制程節(jié)點(diǎn)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(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)，隨著芯片工藝制程逼近極限，行業(yè)越來越接近“1nm”節(jié)點(diǎn)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(shí)代。比如在Intel 3之后的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)被命名為Intel 20A，這一命名反映了向新時(shí)代的過渡，即工程師在原子水平上制造器件和材料的時(shí)代——半導(dǎo)體的埃米時(shí)代。這種命名體系將創(chuàng)建一個(gè)清晰而有意義的框架，來幫助行業(yè)和客戶對整個(gè)行業(yè)的制程節(jié)點(diǎn)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(gè)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(jì)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(jì)，隨著摩爾定律逼近極限，F(xiàn)inFET設(shè)計(jì)無法再為先進(jìn)工藝制程提供支持時(shí)，GAAFET設(shè)計(jì)將會成為主流。相比之下，F(xiàn)inFET依賴于源極／漏極的多個(gè)量化鰭片和多個(gè)鰭片軌跡的單元高度，而GAAFET支持可變長度的單個(gè)鰭片，從而允許在功率、性能或面積方面優(yōu)化每個(gè)單獨(dú)單元器件的電流。

據(jù)英特爾介紹，RibbonFET是一個(gè)Gate All Around晶體管，從設(shè)計(jì)上看，這個(gè)全新設(shè)計(jì)將柵極完全包裹在通道周圍，可實(shí)現(xiàn)更好的控制，并在所有電壓下都能獲得更高的驅(qū)動(dòng)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(gè)通道，即納米帶，可以實(shí)現(xiàn)與多個(gè)鰭片相同的驅(qū)動(dòng)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(jì)的相關(guān)信息，當(dāng)時(shí)被告知英特爾批量實(shí)施GAAFET設(shè)計(jì)的時(shí)間會在5年內(nèi)。如今，英特爾的20A工藝將采用RibbonFET設(shè)計(jì)，根據(jù)上述路線圖，很可能在2024年底實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)。

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

全新背面電能傳輸網(wǎng)絡(luò)PowerVia

另外一項(xiàng)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(shí)延。通過減少下垂和降低干擾，也有助于實(shí)現(xiàn)更好的電能傳輸。該技術(shù)降低了設(shè)計(jì)上的IR壓降，這在更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)技術(shù)上越來越難以實(shí)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(shí)，將會很有趣。

更加先進(jìn)的封裝路線圖

●EMIB：首個(gè)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(jì)。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(gè)連接，并且芯片被構(gòu)建為連接到橋的一半?，F(xiàn)在，兩個(gè)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(gè)芯片之間嵌入多個(gè)橋接器，或者為使用兩個(gè)以上芯片的設(shè)計(jì)嵌入多個(gè)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(diǎn)間距。當(dāng)芯片連接到嵌入在基板中的橋時(shí)，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(gè)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(shí)延更低。據(jù)介紹，Meteor Lake是在客戶端產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)Foveros技術(shù)的第二代部署。該產(chǎn)品具有36微米的凸點(diǎn)間距，不同晶片可基于多個(gè)制程節(jié)點(diǎn)，熱設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)的多個(gè)頂片與多個(gè)基片混合搭配，預(yù)計(jì)將于2023年用到量產(chǎn)的產(chǎn)品中。

● Foveros Direct：第四代 Foveros

Foveros Direct實(shí)現(xiàn)了向直接銅對銅鍵合的轉(zhuǎn)變，它可以實(shí)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(shí)現(xiàn)了10微米以下的凸點(diǎn)間距，使3D堆疊的互連密度提高了一個(gè)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(shí)現(xiàn)的。Foveros Direct是對Foveros Omni的補(bǔ)充，預(yù)計(jì)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(jì)劃在2025年成為首家在生產(chǎn)中實(shí)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(diǎn)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(gè)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(shí)進(jìn)行。ASML預(yù)計(jì)將在2022年完成第一臺High－NA EUV光刻機(jī)系統(tǒng)的驗(yàn)證，并計(jì)劃在2023年交付給客戶。ASML宣布，它現(xiàn)在預(yù)計(jì)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(gè)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(diǎn)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。