三星公布芯片背面供电技术：可使芯片面积缩小14.8%，布线长度减少9.2%！

2023年08月12日

8月12日消息，台积电、三星、英特尔等晶圆制造大厂都在积极布局背面供电网络技术（BSPDN），并将导入尖端的逻辑制程的开发蓝图。据韩国媒体 The Elec 报道，继英特尔公布了其命名为“PowerVia”的背面供电技术将导入Intel 20A制程工艺之后，三星电子在此前日本VLSI研讨会上也公布了其背面供电技术的研究结果，也将用于其2nm制程工艺。

过去多年来，芯片都是像披萨一样由下而上，层层制造的。芯片制造从最小的元件——晶体管开始，然后还需要建立越来越小的线路层，用于连接晶体管与金属层，这些线路被称为信号互连线，当中还包括给晶体管供电的电源线。当芯片的裸片制造完成后，还需要把它翻转并封装起来。封装主要是对裸片进行保护，并提供了与外部的接口，使其真正成为一个商用化的芯片。

然而，随着晶体管越来越小，密度越来越高，互连线和电源线共存的线路层变成了一个越来越混乱的网络，堆栈层数也越来越多，可能需要穿过10 到 20 层堆栈才能为下方的晶体管提供供电和数据信号。

对此，领先的芯片制造商都在努力研究背面供电技术，即寻找将电源线迁移到芯片背面的方法，进一步使得芯片正面只需要专注于与晶体管的信号互连。也就是说，晶圆的制造将会先制造正面的晶体管，然后添加互联层，然后将晶圆反转，并对背面进行打磨减薄，在通过纳米硅穿孔（TSV）技术在晶圆背面进行制造供电网络，并与埋入式的电源轨连接。

在2023年VLSI研讨会上，英特尔就展示了制造和测试其背面供电解决方案PowerVia的过程，并公布已经有良好性能的测试结果。据英特尔介绍，电源线原本可能占据芯片上面20%的空间，但是其PowerVia背面供电技术，使得这些原本在上面的电源线不再需要，这也意味着互连层可以变得更宽松一些。

根据英特尔的Blue Sky Creek的测试芯片（该芯片采用英特尔即将推出的PC处理器Meteor Lake中的P-Core性能核心），证明了PowerVia解决了旧的“披萨式”制造方法所造成的问题，即电源线和互连线可以分离开来，并做得线径更大，以同时改善供电和信号传输。测试结果显示，芯片大部分区域的标准单元利用率都超过90%，同时单元密度也大幅增加，并有望降低成本。测试还显示，PowerVia将平台电压（platform voltage）降低了30%，并实现了6%的频率增益（frequency benefit）。PowerVia测试芯片也展示了良好的散热特性，符合逻辑微缩预期将实现的更高功率密度。

而根据最新的报道显示，在今年6月底的日本 VLSI 研讨会上，三星电子发表的一篇论文称，与传统的前端 PDN （前端供电网络）相比，其所研发的背面供电网络技术的应用，使其未公开的处理器面积缩小了14.8%。同时，该论文还特别强调了两个基于Arm架构的处理器，在采用了BSPDN技术之后，他们观察到的芯片面积分别减少了10.6% 和 19%，这也意味着成本和功耗的降低。同时也意味着，如果芯片面积保持不变的情况下，芯片内部的晶体管数量可以增加10% 到19%，性能也有望提升10%到19%。