Intel внедряет технологию PowerVia, которая обеспечивает подачу питания транзисторам с задней стороны кристалла. Компания планировала эту технологию для отменённой стадии разработки Intel 20A, но перенесла её на этап Intel 18A. TSMC собирается использовать похожую систему начиная с техпроцесса A16, а Samsung включила аналогичное решение SF2Z в свои планы.
Intel использует название PowerVia, а TSMC называет эту технологию Super Power Rail (SPR). Оба подхода подразумевают использование сетей подачи питания с задней стороны чипа (Backside Power Delivery Networks, BSPDN), но применяют их с разными особенностями.
Система подачи питания с задней стороны чипа устраняет конкуренцию между токопроводящими и сигнальными линиями за место, что уменьшает электрическое сопротивление. Такой подход улучшает эффективность питания и снижает потери энергии. Разделение сигнальных линий через FSPDN (сеть подачи питания с лицевой стороны чипа) и силовых линий через BSPDN уменьшает электромагнитные помехи, что улучшает качество сигнала и позволяет повысить тактовую частоту. Уменьшение потерь и помех положительно влияет на характеристики чипов.
Кроме того, разработчики увеличили доступное пространство на лицевой стороне чипа, убрав оттуда подачу питания. Освободившееся место они используют для размещения дополнительных сигнальных линий и транзисторов, что повышает плотность и масштабируемость компонентов.
Не только преимущества
Перенос подачи питания на заднюю сторону кристалла имеет свои сложности. Система BSPDN помогает лучше распределять горячие точки Hotspots и улучшать отвод тепла. Однако исследование, представленное Межвузовским центром микроэлектроники (imec) на конференции IEDM, указывает на усиление горячих точек.
Imec смоделировал систему на кристалле (SoC) с 80 ядрами, контроллерами DDR, PCIe и ввода-вывода, чтобы оценить влияние технологии BSPDN. Исследователи изучили сценарии с энергопотреблением от 57 до 83 Вт. Они учли структуру слоёв, включая BEOL (Back-End of Line), FEOL (Front-End of Line), сам чип, а также слои контактов и соединений.
Результаты показали, что BSPDN повышает температуру горячих точек до 14 °C по сравнению с FSPDN. Дополнительное тепловое сопротивление возникает из-за слоёв соединения пластин, которые затрудняют отвод тепла. Более высокие температуры противоречат заявлениям о преимуществах BSPDN.
Imec предложил решения, которые помогут справиться с проблемой. Добавление заземляющего слоя под BSPDN улучшает теплоотвод. Использование более тонких слоёв соединения пластин также снижает температуру. Исследования новых материалов, таких как нитрид алюминия, показывают положительные результаты. Эти меры могут уменьшить температуру горячих точек на 1–6,5 °C. Комплексный подход снижает температуру в среднем на 8,7 °C.
Imec заключил, что BSPDN создаёт трудности при высокой или неравномерной плотности мощности. Точный анализ распределения мощности помогает моделировать горячие точки и находить пути их устранения. Производители, такие как Intel, Samsung и TSMC, уже работают над этими задачами. Сложное производство и другие недостатки BSPDN привлекают внимание к этой технологии как к перспективному направлению для дальнейших исследований.