解读明年电脑CPU要用的PowerVia技术，这有什么用？

其实我们对PowerVia技术的解读，已经不是第一次了——前不久谈2nm工艺的文章才刚刚提过。这项技术之所以重要，从Intel的角度来看，在于它是Intel的半导体制造工艺于2025年“重回王座”的关键，而且是很关键。

最近Intel对PowerVia工艺做了更细节的内容分析，而且在VLSI研讨会上，还准备发布PowerVia技术的paper。Intel在市场宣传上，将PowerVia的重要性，抬到了与2003年90nm工艺应变硅，2007年45nm节点的high-k金属栅（metalgate），以及2012年22nm节点的FinFET结构器件这三者相同重要的位置。

对半导体制造工艺熟悉的同学应该不会不知道上述三者对于Intel乃至行业的重要性，那么自然不会小觑PowerVia。另一个关键是，PowerVia晶背供电技术，预计会在明年的ArrowLake上应用——也就是传说中的15代酷睿处理器，虽然究竟是14代refresh还是15代，可能还不一定。

而以PowerVia为代表的这一类BacksidePowerDelivery晶背供电技术，台积电和三星也在搞。但如2nm工艺展望的文章里提到的，这两家要上同类技术的时间比Intel明显更晚。起码台积电已经确认，最早的N2工艺不会应用晶背供电——这项技术的采用起码要等到2026年的N2P，显然在时间线上就输了。

而这次Intel还专门公开了基于PowerVia技术的测试芯片（名为BlueSkyCreek，复杂度还不低的一颗芯片）的一些数据，就是急于向市场传达：东西我们已经做出来了，而且成熟度也很不错，大规模量产指日可待。这就给市场、客户和投资者树立了Intel在半导体制造工艺上的信心，则2025年“重回王座”的flag看着就很有希望了。

这样也就不难理解，PowerVia现阶段对Intel的意义可能还不只是配合Intel20A工艺，以及尽早用在ArrowLake处理器上这么简单了。这篇文章，我们就来谈谈Intel的PowerVia技术，也算是BacksidePowerDelivery晶背供电网络的科普。

把一些东西移到晶圆背面

其实读过我们之前谈晶背技术文章的同学应该会知道，BacksidePowerDelivery顾名思义是把某些供电轨移到了“背面”。与BacksidePowerDelivery相对的自然就是FrontsidePowerDelivery。

对逻辑芯片制造有了解的同学应该知道，一般芯片制造的过程，肯定是先搞定最底下那些很小的晶体管和器件——最下层一般都是最为精细的，我们所说某一代工艺节点最小的物理间距尺寸就在这里；随后就开始往上“垒”，尤其晶体管上方是需要金属线互联、供电的。

Intel10nm工艺金属层间距，来源：Wikichip Fuse

不过这些金属层也不止一层那么简单，微观层面它们要连接大量晶体管和器件，宏观上则涵盖了处理器不同的组成部分；另外电源布线自然也是其中的组成部分。当代的高性能处理器一般都会有10-20层的金属层。关注过我们此前解读Intel10nm/Intel7和Intel4工艺文章的同学应该也很清楚，不同金属层M0,M1,M2...最小间距都有不同；除了M0,M1之外，越往上层，间距越大。

Intel4工艺设计规则

比如Intel说，Intel4工艺节点逻辑部分要堆16层金属层，不同层的pitch间距从30nm到280nm不等。而再往上还有两个“巨大层”（上图中的GM0/GM1），间距至少也是1000nm+，用于电源布线，及布局外部连接。

这样一颗芯片是从最底下的晶体管，到最上层金属层。这就是典型的FrontsidePowerDelivery，供电与信号互联线路都在同一侧。这种方案有好有坏，好处后面谈。

其显著坏处就在于金属层更多，互联和供电都要走很远才能抵达晶体管，而且供电和信号两者间会有干扰，系统复杂性更高——设计和工艺技术要考虑的问题更多，也就影响到了面积利用。另外对于供电来说，更远的路径带来IR压降。以前这方面的问题还不大，但随着工艺节点迈进，器件间距越来越小，问题在整个系统中的占比增大，自然成为一个要被消除的关键点。

所有三星、台积电、Intel都将BacksidePowerDelivery加入到了半导体尖端制造工艺的技术体系里，也就是将供电连接的部分移到wafer/die的另一面，分离了供电和I/O。Intel的PowerVia就是这一思路的具体实施方案。

简单来说就是先把逻辑层、信号互联搞定，然后把wafer翻过来，在其上构建电源供电网络。当然其中肯定还涉及到另一面的打磨——起码要让供电能更近地接触到另一面的晶体管，在上面建起供电网络，也涵盖了CMP（ChemicalMechanicalPolishing）清洁、光刻、蚀刻等等步骤。

用PowerVia技术先造一颗芯片

有关PowerVia的部分技术细节，我们放到后文去谈。首先还是来说说这个所谓的“晶背供电”究竟能给芯片、处理器带来多大的价值。先说说理论上的一些好处。首先是因为晶背供电的采用，M0金属层的间距可以做得宽松些。Intel的数据是，原本Intel4工艺的M0金属层间距为30nm，而在加上PowerVia以后，可以将间距放宽到36nm。换句话说，几乎是技术难度最高的这部分，其制造难度和成本都能有所放松。

然后就是前文提到的，供电路径长度变短了，自然降低了IR压降效应的影响；在信号I/O另一侧，则显著降低了电源干扰的影响，提升了性能，有更大的余量去做设计优化。不过除了增加工序、存在技术难度之外，晶背供电也存在另外一些副作用——这个后面再说。

这次Intel是真正做了一颗Intel4+PowerVia的芯片，并将之与没有采用PowerVia、基于Intel4工艺的芯片做对比的。首先还是要明确，PowerVia实际上是为Intel20A及后续工艺节点做准备的，所以很快要到来的Meteor Lake（传说中的14代酷睿）并不会用上PowerVia。

而Intel之所以选择在Intel4工艺上做实验，是基于此前我们谈到的Intel当前制造工艺步进的“Tick-Tock”方案，其中有一点是工艺的“模块化”。Intel为了降低复杂工艺技术迭代的风险，避免重蹈此前10nm时期的覆辙，对工艺技术的不同组成部分做了“解耦”。

比如说Intel20A工艺，按照预期，这代工艺要采用RibbonFET结构的晶体管（即GAAFET），同时又要上PowerVia。这两个方向都有巨大的技术难度，所以将RibbonFET和PowerVia这两者解耦，PowerVia在更早的节点上就做研发和制造的尝试，则PowerVia更多的是脱离于RibbonFET去做技术演进的。也就降低了节点迈进的风险。

这次Intel用Intel4+PowerVia造的这颗测试芯片名为BlueSkyCreek。这颗芯片之上有两片die，每片die上都有Crestmont核心——也就是MeteorLake处理器的E-core部分。毕竟MeteorLake本身就用Intel4工艺造，“就近”测试PowerVia也合理。而且E-core是Intel异构CPU核心中，占地面积比较小的核心，测试芯片4个核心，diesize为33.2mm²（4mmx8.3mm），也就不必搞得太过复杂。核心跑在1.1V3.3GHz。

上面这张图是不用PowerVia，和用了PowerVia之后的单元尺寸，及包括CPP、FP、M0pitch等在内的物理尺寸差异。关注Intel4工艺的同学应当普遍都知道，Intel 4节点只做了HP高性能单元库（而没有做高密度等其他单元库，毕竟MeteorLake是chiplet式的设计，部分die会让台积电负责制造）。所以上图就是HP单元库。

加了PowerVia之后的单元，一方面是M0金属层间距变大了，finpitch和contactedpolypitch都没变。另一个比较大的变化是，单元fin的数量从3个减到2个，所以整个单元的尺寸就变小了，缩减幅度达到了12.5%。换句话说，这算得上是个scalingbooster方案了，即晶体管间距变大的情况下，整体密度还增加了。

另外，没有用PowerVia的芯片，一侧是15层金属层+RDL层；而用了PowerVia之后，一侧信号I/O变为14层，另一侧是4层+RDL层。两侧加起来，层数是增多了的。但其中4层在另一侧，也就是所谓的“背面”（backside），本身在复杂性上就不需要那么瞻前顾后了。加上M0间距还变大了，换取多出来的几层金属层也是值得的。

虽然Intel没有给具体的密度数字，不过上面这张图展示了所谓的“cellutilization”单元占地面积利用率，在某一点能够到95%。

从更直观的电性能角度来看，前文提到了PowerVia能减少IR压降。Intel的数据如上图所示，测试芯片测得的IR压降能低30%。如此一来能效就提高了，因为在这个过程里能量损失变小了。相对的Crestmont核心最高频率能提升6%——这就是实打实的CPU性能红利了。

另外据说测试发现，测试芯片上几颗Crestmont核心的压降数字情况不同，而FrontsidePowerDelivery的常规Intel4工艺就没有这种情况。或许这对DIY发烧友、超频爱好者而言又是个好事，因为这表明未来基于PowerVia制造的芯片，某些核心会有更好的“体质”。

很多人真正关心的数据是，PowerVia的良率情况怎么样了，毕竟隔壁两家的晶背供电技术都还没影。Intel给的数字是这次实验性质的Intel4+PowerVia，比传统Intel4差“2个季度（2quarters）”。这个值具体说的应该是不良率（defectdensity）。

虽然我们对“2个季度”没啥概念，但听Intel的意思是基本上和非PowerVia版的Intel4差不多。可靠性和晶体管电特性也达到了量产的预期。至少在测试芯片上没有发现供电相关的可靠性问题。

晶背供电的固有问题，和Intel的解决方案

接下来该谈谈BacksidePowerDelivery产生的一些固有问题了。最大的问题当然是制造工序增加、难度增大——这是先期显而易见的、可预期的，也就是如何达成量产；其次是可靠性问题——就Intel的数据来看，这两个问题解决得还不错。

真正的问题在于散热和debug问题怎么解决。对于传统方案，也就是FrontsidePowerDelivery而言，从底层晶体管开始构建，然后MOL再加上面一堆金属层——die自底层往上层搞完以后，像Intel的CPU封装要用倒装方案（flipchip），也就是封装的时候die要翻个面，倒扣到封装基板上。此时，晶体管在上，金属层在下。

晶体管在上，对于散热和debug都有好处。因为晶体管在上，这一面也就与封装的散热介质离得更近，主要热源就能被及时降温；而对debug来说，一般的debug工具显然也更容易访问晶体管。

那么当PowerVia技术在wafer/die的另一侧装上了供电线路，显然就将晶体管层夹在了中间。这对散热和debug都是不利的。其实Intel没有针对这两个问题，谈太多他们是怎么解决的，或者采用了哪些缓解方案。但他们给了热与debug的测试数据。

给定不同功耗，对应温度曲线，不用PowerVia和用了PowerVia方案是差不多的。而且据Intel所说测试是特意做了热负载加强的，以期在更高热密度时，温度也不会爆表。Intel说他们找到了在晶背供电结构下的散热缓解策略，达成与传统普通单面供电相似的水平。

Debug的问题，Intel说开发了一套新的debug技术，来解决新结构的问题。Intel表示在造这颗测试芯片的时候，特意埋了一些错误在其中，不让验证团队知道。而验证团队最终基于新的方案，找到了所有的bug。“我们在过去这些年，就发展debug能力方面取得了巨大的进展，并且在BlueSkyCreek之上得到了证明。”

最后来看两个Intel特别提到的，独属于PowerVia的技术点。其一是前文提到，在实施PowerVia方案的时候，要对wafer背面进行“打磨”，令其薄到将近可以接触晶体管的程度。这么做是会让wafer的刚性大打折扣的。所以在正面都搞完之后，Intel在wafer正面键合了一片载体晶圆（carrierwafer），来承载背面的制造过程。

到制造完成之后，这片carrierwafer也仍旧作为芯片的一部分存在了，当然在真正收工之前，这片后装的wafer也是需要打磨到对应薄度的。从直觉来看，这么做似乎又将加重散热问题，毕竟这是又多留了一层没什么价值的东西在芯片上。

另外一个技术点是NanoTSV，即用TSV来实现供电布线。如上图所示，最右侧的是Intel的PowerVia方案，另一侧的电源轨直接接NanoTSV（纳米级别的TSV硅过孔）；相比于业界的BuriedPowerRail方案，供电明显更直接——似乎在设计和制造上，也避免了这部分电源轨布线（routing）的复杂度。这一点应该也是PowerVia叫做PowerVia的原因...

如Intel此前的路线图标识，明年的ArrowLake处理器上就能见到PowerVia的身影，虽然其实就用户层面也不会有什么感知。但如文首所述，PowerVia是否如约而至，以及和Intel20A的RibbonFET共同发挥多大作用，会成为2025年Intel能否找回半导体制造王者地位的关键。至少就目前Intel公开的这些信息来看，希望好像真的就在不远处了。