Техпроцесс Intel 4: новые подробности

Сегодняшнее открытие завода Fab 34 в Лейкслипе (Ирландия) знаменует собой начало массового производства по техпроцессу Intel 4. Пока что единственным кристаллом, который планируется выпускать по новому техпроцессу в миллионных объемах, будет вычислительный тайл Meteor Lake. В нашем обзоре Meteor Lake мы вкратце затронули тему Intel 4, теперь же хотим рассмотреть этот технологический процесс более подробно.

Если Intel 7 был и остается лишь техпроцессом 10 нм, который был несколько раз усовершенствован, то Intel 4 – это более значительный этап по развитию технологии производства Intel. Не исключено, что этот шаг вернет Intel позиции для конкуренции с такими компаниями, как TSMC – по крайней мере, в некоторых областях. Однако контрактный тайваньский производитель за последние годы смог существенно уйти вперед, и полностью догнать его получится только с техпроцессом Intel 20A и последующими.

В то же время Intel 4 является и подготовительным этапом для следующего Mid Node (так называют промежуточные ступени), поскольку Intel 3 будет опираться на Intel 4. Процессоры Xeon Granite Rapids (P-ядра Xeon) и Sierra Forest (E-ядра Xeon) как раз будут производиться по техпроцессу Intel 3. После Meteor Lake с производством вычислительного тайла по Intel 4 следующий этап настольных процессоров - Arrow Lake по Intel 20A.

Неправильный выбор материалов и чрезмерно сложная технологическая цепочка привели к значительным задержкам в производстве 10-нм процессоров Intel. Последствия этого ощущаются до сих пор. С Intel 4 компания снова использует EUV, но прошло уже несколько лет, накоплен опыт, поэтому такой шаг наверняка упростит производство.

По сравнению с текущим техпроцессом Intel 7 планируется увеличить плотность транзисторов для высокопроизводительной логики в два раза. Ожидается, что эффективность возрастет более чем на 20%.

Повышение плотности расположения транзисторов возможно только за счет уменьшения размеров компонентов и расстояния между ними. Для высокопроизводительной библиотеки HP их высота уменьшается с 408 до 240 нм. Ширина Poly Pitch уменьшается с 60 до 50 нм. Таким образом, если библиотека HP в Intel 7 занимала площадь 24.480 нм², то в случае Intel 4 она уменьшиться до всего 12.000 нм². В самой библиотеке HP расстояния также стали меньше. Шаг Fin Pitch уменьшился с 34 до 30 нм, а шаг Metal Pitch M0 - с 40 до 30 нм. Metal Pitch и Fin Pitch теперь идентичны, то тоже даст различные преимущества при производстве.

С техпроцессом Intel 7 компания Intel представила технологию, получившую название Contact over active Gate (COAG). В Intel 4 будет использоваться второе поколение этой технологии. Контакт затвора раньше располагался за пределами активной области транзистора, теперь он переносится в эту область. Второе поколение COAG хорошо масштабируется с меньшими расстояниями в библиотеке HP Intel 4.

Поскольку в процессоре несколько библиотек HP располагаются близко друг к другу, должно быть предусмотрено их разделение. Поэтому между библиотеками HP и в них самих используются диффузионные разрывы. В Intel 7 диффузионные разрывы были сделаны через фиктивные затворы (Dummy Gate). В Intel 4 они по-прежнему используются, но только один затвор в ячейке вместо двух.

По оценкам Wikichip, плотность транзисторов в Intel 4 составляет 123,4 МT/мм², в Intel 7 - 60,5 МT/мм². Весьма интересно сравнение с TSMC: в техпроцессе N5 контрактный производитель достигает 94,85 МТ/мм².

Процессор состоит из нескольких слоев, начиная от контактов, которые выходят наружу корпусировки, и заканчивая отдельными транзисторами.

В Intel 7 используется 17 металлических слоев, в Intel 4 - 18. В приведенной выше таблице указаны шаги Fin Pitch и Contacted Gate Pitch. В Intel 7 контакты (Contact Fill) сделаны из сплава вольфрам-кобальт, в Intel 4 используется чистый вольфрам. Металлические слои представлены в диапазоне M0 - M14 или до M15. Кроме того, можно видеть последние контактные слои. Для Intel 7 в первых пяти слоях (M0 - M4) используется кобальт и медь. В случае Intel 4 был сделан переход на улучшенную медь, которая оптимальнее подходит по характеристикам.

Интересно, что в некоторых слоях шаги уменьшились, а в других – увеличились. Причина – в оптимизации расположения ячеек. В Intel 7 компания использовала соотношение 3:2 для Gate Pitch и M1. Для Fin Pitch, Gate Pitch и слоев M0 - M4 Intel часто использует одинаковые расстояния, соотношение между Fin Pitch M0 и слоями M2 и M4 составляет 2:3. Что позволяет Intel создавать больше так называемых мест попадания контактов (Pin Hit). Такая конструкция позволяет более эффективно соединять ячейки и блоки.

При выборе материалов (медь, медные сплавы, кобальт и т.д.) Intel всегда приходилось идти на компромисс между линейным сопротивлением и электромиграцией. Чистый кобальт обладает хорошими свойствами в отношении электромиграции, но при этом имеет относительно высокое линейное сопротивление. Сплавы меди позволяют снизить сопротивление, но электромиграция при этом хуже. Используя улучшенную медь, Intel хочет получить лучшее из двух миров.

Использование EUV упрощает производство

Intel 4 – стал первый техпроцессом чипового гиганта, в котором для некоторых этапов экспонирования используется EUV (Extreme Ultraviolet). Переход на EUV упрощает некоторые этапы производства и позволяет обойтись меньшим количеством экспозиций. Intel утверждает, что компании удалось в три-пять раз снизить число технологических операций.

Слишком высокая сложность этапов экспонирования и используемых материалов как раз стала причиной длительных задержек с производством по техпроцессу 10 нм, которые Intel преодолела только после переименования в Intel 7. В некоторых случаях для корректного экспонирования металлических слоев M0 и M1 в 10-нм чипах Intel приходилось использовать 20 ступеней и 20 масок. Это, конечно же, требовало больших затрат времени и денег, поэтому было неприемлемо для массового производства. Теперь в Intel 4 все намного проще, в общей сложности требуется на 60% меньше масок, чем в Intel 7.

Для упрощения проектирования металлических слоев и всего чипа Intel установила новые правила. В частности, ограничены области, в которых возможно применение сквозных линий TSV. Таким образом, области без TSV могут быть лучше оптимизированы, а производство упрощено.

Intel 4 рассчитан на максимально эффективный дизайн HP. Это означает, что соответствующие чипы могут быть спроектированы как на низкое напряжение 0,65 В, так и на высокое 1,1 В. При нормализации по энергопотреблению Intel 7 обе кривые напряжения обеспечивают соотношение производительность/энергопотребление на 20% выше и даже больше.

Насколько такая гибкость будет полезна для вычислительных тайлов Meteor Lake, пока неясно. Конечно, при более широком спектре чипов (HPC, мобильные, ...) эти цифры впечатляли бы сильнее. Однако Intel 4 сфокусирован на Meteor Lake. Впрочем, грядущий Intel 3 будет опираться на Intel 4, поэтому чиповый гигант наверняка воспользуется наработанным опытом и со следующим техпроцессом.

Для стабильного питания процессора важна емкость MIM (Metal-Insulator-Metal). Так называемые SuperMIM в 10-нм Super FinFET достигли 141 фФ/мкм². В Intel 7 удалось получить 193 фФ/мкм², а в Intel 4 - почти удвоить емкость до 376 фФ/мкм².

Более высокая доля выхода годных кристаллов по сравнению с 14 и 10 нм

С Intel 4 чиповый гигант говорит о лучшем выходе годных кристаллов для нового техпроцесса за последние 10 лет - примерно на том же уровне, который сегодня дает оптимизированный 10-нм техпроцесс.

Конечно, Intel не дает информации о точном выходе. Нам удалось увидеть машины для сортировки чипов в Малайзии, но из-за небольшого времени, которое мы провели рядом с ними, никаких достоверных цифр назвать нельзя. Тем не менее, мы были удивлены количеством хороших чипов – независимо от того, с какого производства они поступили.

Для Intel техпроцесс Intel 4 на первом этапе можно назвать успешным. В том числе и потому, что кристалл сравнительно маленький.

На уровне SoC Intel 4 обеспечивает снижение энергопотребления до 40% при равных частотах, либо увеличение тактовых частот до 20% при прежнем энергопотреблении. Кроме того, Intel 4 обеспечивает значительно более высокую плотность транзисторов по сравнению с Intel 7. По спецификациям Intel 4 даже лучше, чем N3 от TSMC или 3GAE от Samsung.

В заключение следует отметить, что Intel значительно снизила сложность за счет аккуратного масштабирования стандартных ячеек и упрощения базовых технологических операций. Кроме того, теперь используются более эффективные материалы. Внедрение EUV-экспонирования позволяет снизить вариативность производства, а также уменьшить сложность масок и технологических операций и значительно сократить их количество.

Техпроцесс Intel 4 станет подготовкой к выходу Intel 3. Помимо собственных продуктов, на Intel 3 планируется выпускать чипы для внешних заказчиков в рамках инициативы Intel Foundry Services (IFS). Судя по всему, Intel 3 позволит увеличить эффективность (соотношение производительность/ватт) еще на 18 % по сравнению с Intel 4. Кроме того, Intel 3 станет последним техпроцессом Intel, который опирается на транзисторы FinFET. Далее Intel перейдет на RibbonFET, также будет использоваться технология подачи питания с задней стороны кристалла через PowerVia.

Мы рекомендуем ознакомиться с нашим руководством по выбору лучшего процессора Intel и AMD на текущий квартал. Оно поможет выбрать оптимальный CPU за свои деньги и не запутаться в ассортименте моделей на рынке.