背面供电，为何成为选择？
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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自electropages，谢谢。
随着半导体代工厂应对晶体管小型化的挑战，研究人员正在探索新材料和技术以增强下一代芯片性能，这是先进半导体技术不断发展的一个关键焦点。现在，英特尔正准备通过其背面电源连接提供最新的一系列技术创新，这有助于减少功耗并提高设备性能。传统的电力传输在半导体中面临哪些挑战，新的背面电力传输方法如何工作，以及未来设备中还将部署哪些其他方法？
电力传输的挑战
自从60 多年前推出第一批器件以来， 集成电路已经经历了无数的变化。随着每一代新一代芯片的出现，晶体管变得更小、速度更快，这也导致它们消耗的功率更少。
然而，这种晶体管缩放导致更多组件集成到同一空间中，从而导致总体功耗增加，这是高性能计算中的一个关键问题。这就是为什么每个新系列的 CPU 和 GPU 等高密度设备消耗的电量都越来越多；现代台式机 CPU 功耗超过 100W 的情况并不罕见。
深入研究功耗难题，这不仅仅是将更多晶体管封装到芯片中。我们看到半导体行业向创新材料发生了令人着迷的转变。英特尔对新型半导体化合物的尝试改变了游戏规则，旨在解决导电路径中的固有电阻。这不仅仅是技术上的调整；这是重新定义芯片效率和性能的一大进步，此举可能会重塑我们对半导体能力的期望。
虽然较大的芯片可以控制高功耗，从而实现有效的热量分布和使用大型散热器，但这对于紧凑型半导体设计（例如移动设备和物联网应用中使用的设计）来说是一个重大挑战。但随着芯片尺寸的减小，此类设备的热密度如此之大，以至于冷却可能具有挑战性，并且在某些情况下需要液体冷却机制。对于紧凑型设计（例如服务器机架）来说，这也是一个问题，因为几乎没有空间容纳大型散热器。
因此， 芯片制造商必须尝试识别功耗来源 ，并尝试彻底消除它们或尽可能减少它们。例如，导电路径的自然电阻会导致少量能量损失，从而直接产生热量，因此芯片制造商可以尝试减少所用导体的总长度以及选择电阻较低的材料。
另一种选择是以设备运行的速度为目标，因为动态功耗随着频率的增加而迅速增加。当然，降低设备速度会直接影响性能，因此芯片制造商通常会采用低功耗模式，在空闲时关闭性能核心或降低核心速度。
但其中一个特别难解决的领域 是电力输送。典型的平面器件从有源层开始，其中包括晶体管结构和掺杂区域。
第一层之后的下一层包括这些晶体管的栅极以及晶体管之间的关键互连，而在此之后的下一层是形成附加互连的第一金属层。每增加一个新层，互连的宽度和厚度都会增加，以降低功耗并提高性能。
然而，虽然这种设计方法在过去运行良好，但存在一个独特的问题，即功率走线长度，会导致大量功率损耗。简而言之，由于电源连接需要从顶层开始，因此连接到电源轨的每个晶体管在每层之间都需要有许多过孔，因为电源连接器从顶部开始并向下进入第一层。
随着层的每次变化，连接器宽度的减小增加了电阻损耗，并且过孔的使用会在层之间形成边界，这本身会引起额外的损耗。这也意味着电源线的散热也会扩散到芯片的其余部分，包括用于处理信号的互连。
深入研究现代芯片的分层复杂性，很明显传统的电力传输方法正在变得有点像走钢丝。当我们将更多的东西塞进这些硅奇迹中时，挑战不仅在于管理功率，还在于掌握热管理的艺术。这是一种微妙的平衡，英特尔似乎正在通过其创新的背面供电来正面解决这一问题。这不仅仅是为了让事情保持冷静；而是为了让事情保持冷静。它是关于重新思考电源如何与芯片的每个部分相互作用，确保性能不会在激烈的时刻消失。
背面供电成救星
认识到典型平面技术面临的挑战，英特尔展示了其 在开发新的电力传输机制方面取得的成就 ，他们表示这将有助于减少电力损耗，并且对于未来的 1nm 节点至关重要。这种新概念被称为“背面电源和直接背面接触”，它与传统设计不同，因为所有电源连接都是从晶圆的底部而不是顶部进行的。
这种背面设计的使用意味着电源连接器不需要围绕信号线编织，而是直接连接到晶体管的底部。这不仅显着减少了电源线的长度，而且还减少了将电源输入晶体管所需的过孔数量。这种设计还允许电源连接器保持宽和厚，从而减少电阻损耗。
新概念还与直接背面接触相结合，它暴露了芯片底部的接触点，而不是将所有接触点都带到芯片的顶部。这不仅有助于增加接触密度（因为顶部不再需要电源连接器），而且还有助于分离电源线和信号线，从而提高信号完整性。
未来的解决方法
随着现代设备的特征尺寸接近亚纳米世界，工程师将需要部署各种独特的解决方案来解决所面临的挑战。虽然硅已被证明是一种非常适合现代应用的半导体，但在遥远的将来它可能会被其他竞争者取代。
其中一种候选者可能是石墨烯，因为它不仅可以被制成具有超导特性，而且可以轻松操纵以产生各种独特的能力，包括形成能够捕获量子计算所需粒子的复杂 3D 结构。然而，由于石墨烯很难大规模生产，因此在不久的将来它还远远不能成为硅的可行替代品。
展望未来，半导体设计的未来将拥抱小芯片架构，其中集成电路封装包含多个较小的芯片，这一趋势在先进电子制造中越来越受欢迎。这不仅为工程师提供了足够的设计灵活性，而且还有助于降低功耗，因为只有绝对需要的电路才会集成到设计中。
定制硅设备，例如苹果公司展示的设备，也可能变得越来越重要。由于定制硅器件仅集成设计绝对需要的电路，因此与任何现成的解决方案相比，它们始终提供最佳的每瓦性能。
工程师可以将许多技术部署到半导体中来尝试降低能耗，这意味着我们可以期待在未来几年看到各种令人兴奋的技术。然而，关于背面供电的引入可以说是它引入了一个全新的概念，很可能会改变未来芯片的制造方式。
当我们审视半导体技术的进步，特别是英特尔的背面供电技术时，我们会发现这不仅仅是芯片制造的飞跃，更是芯片制造的飞跃。它是多个行业转型的催化剂。从汽车领域（高效的电源管理是电动汽车发展的关键）到医疗保健领域（增强的芯片性能可以彻底改变医疗设备和患者监护系统），连锁反应是巨大的。
考虑人工智能和机器学习领域。在这里，对高速、高效计算的需求是无法满足的。背面供电和小芯片设计等创新不仅改善了现有系统，还改善了现有系统。它们正在为更先进的人工智能算法铺平道路，能够更快地处理和更复杂的任务，同时消耗更少的电量。随着我们越来越接近实现人工智能在日常应用中的全部潜力，这一点至关重要。
展望未来，这些半导体突破有望为目前处于萌芽阶段的技术提供支持。例如，量子计算将从这些进步中受益匪浅。在芯片中更有效地管理功率和热量的能力可能是克服当前量子计算发展中的一些障碍的关键因素。
对于电子领域来说，这是一个激动人心的时刻。我们今天看到的创新不仅仅在于使设备更小、更高效；还在于使设备变得更小、更高效。它们旨在打开新的大门，探索未知的领域，并重新定义技术及其他领域的可能性。
原文链接
https://www.electropages.com/blog/2024/01/how-intels-backside-power-will-help-reduce-power-consumption-future-chips
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