Com a PowerVia, a Intel alcança um avanço na produção de chips

A Intel está prestes a virar a produção de chips "de cabeça para baixo" com a PowerVia, uma nova abordagem para fornecer energia que exigia um repensar radical sobre como os chips são feitos e como são testados.

Para toda a história moderna dos chips de computador, eles foram construídos como pizzas , de baixo para cima, em camadas. No caso dos chips, você começa com os menores recursos, os transistores, e então você constrói camadas cada vez menos minúsculas de fios que conectam os transistores e diferentes partes do chip (estes são chamados de interconexões). Entre essas camadas superiores estão os fios que trazem a potência que faz o chip ir.

Quando o chip é feito, você o vira, o coloca em embalagem que fornece conexões para o mundo exterior e você está pronto para colocá-lo em um computador.

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Infelizmente, esta abordagem está correndo em problemas. À medida que elas ficam menores e mais densas, as camadas que compartilham interconexões e conexões de energia tornaram-se uma rede cada vez mais caótica que dificulta o desempenho geral de cada chip.

Uma vez que um resultado posterior, "agora eles têm um impacto enorme", diz Ben Sell, vice-presidente de desenvolvimento de tecnologia da Intel e parte da equipe que levou a PowerVia à concretização. Em resumo, a energia e os sinais desaparecem, exigindo soluções alternativas ou simplesmente despejando mais energia.

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Dois problemas, uma solução e "muitas preocupações e hesitação"

Isso não quer dizer que as equipes da Intel não previu esses problemas — pesquisa e desenvolvimento sobre uma nova abordagem datam de uma década — nem a Intel os enfrenta sozinhos. A solução para a qual a Intel e os chipmakers de ponta estão trabalhando é chamada de "potência backside", para encontrar uma maneira de mover os fios de energia abaixo do transistor para o lado "traseiro" do chip e, assim, deixar a interconexão ou o lado "frontal" totalmente focado apenas na interconexão.

Parece bastante óbvio, certo? Por que não sempre fazemos assim? Duas razões simples: a maneira antiga é mais simples de fazer e, como notado, na maioria das vezes não era um problema.

Mas a Intel já descobriu.

A solução de energia backside da Intel é chamada PowerVia, e dois novos trabalhos a serem publicados no Simpósio VLSI de 2023 mostram que a Intel criou um processo para fabricá-la, testá-la e demonstrar resultados de desempenho positivos. A parte "testá-la" é a mais importante, mas a parte de fabricação é a mais surpreendente. Jogue fora a fabricação de pizza. Pela primeira vez, a produção de chips está indo de dois lados.

Veja como funciona: os transistores são construídos primeiro, como antes, com as camadas de interconexão adicionadas em seguida. Agora a parte divertida: virar a wafer e "polir tudo", vender notas, para expor a camada inferior à qual os fios (bem, camadas de metal... todos esses "fios" são microscópicos) para que a energia seja conectada. "Nós chamamos de tecnologia de silício", acrescenta ele, "mas a quantidade de silício que sobrou nesses wafers é muito pequena."

Após o polonês, "agora você só tem poucas camadas de metal e todas elas são muito grossas", explica Sell — lembre-se de que ele vive na terra dos nanômetros, então "grosso" significa meros micrômetros. Isso deixa "um caminho muito direto para a entrega de energia ao seu transistor".

Complexidade dos benefícios de custo, desempenho e energia

Os benefícios desta abordagem são múltiplos, confirma Sell, superando a complexidade adicional do novo processo.

Os fios para alimentação, por exemplo, podem levar até 20% desses imóveis frontais, portanto, com eles fora, as camadas de interconexão podem ser "relaxadas". "Isso mais do que compensa o custo de todo este grande processo", observa Sell, simplificando o que tinha sido a parte mais tortuosa do fluxo de fabricação. O efeito líquido é que o processo de flip-it-over de duas peças é realmente mais barato do que o antigo.

Os benefícios não se limitam à fabricação. O chip de teste que a equipe da Intel usou para provar a abordagem — chamada Blue Sky Creek e baseada no núcleo eficiente (E-core) que vem no próximo processador Meteor Lake da Intel para PCs — demonstrou que a PowerVia resolveu ambos os problemas causados pelo antigo método de pizza. Com fios separados e mais gordos para alimentação e interconexão, "você tem uma melhor entrega de energia e tem melhor fiação de sinal".

Para o usuário médio do computador, isso significa velocidade mais eficiente. Faça o trabalho mais rápido e com menos energia, a promessa da Lei de Moore foi entregue novamente. Conforme o segundo artigo conclui, "o intel E-core projetado com o PowerVia demonstra melhoria de frequência >5% e densidade de células >90% com tempos de depuração aceitáíveis como Intel 4." Sell confirma que isso é um aumento de frequência "substancial" para apenas mover fios.

Um chip de teste exclusivo com bugs intencionais e ocultos

A última parte dessa conclusão - "tempos de depuração aceitáíveis" - é uma conquista crítica juntamente com as melhorias do produto. Hoje, as técnicas de teste de chip são baseadas na acessibilidade dos transistores na primeira e mais baixa camada. Com os transistores agora sanduíches no meio do chip, "muitas dessas técnicas tiveram que ser redesenvolvidas", diz Sell.

"Havia muitas preocupações e hesitação e essa foi provavelmente a coisa mais difícil de descobrir — como fazer a depuração desta nova entrega de energia backside." Para tornar as coisas ainda mais desafiadoras, a equipe de projeto de chip de teste adicionou intencionalmente alguns erros de "ovo de Páscoa" ao chip, sem o conhecimento da equipe de validação. A boa notícia? Eles encontraram os insetos.

"Fizemos um tremendo progresso ao longo dos últimos dois anos no desenvolvimento dessas capacidades de depuração e provando-as Blue Sky Creek", afirma Sell.

Isso traz à tona mais uma novidade sobre como Sell e a equipe da Intel descobriram a receita do PowerVia. A PowerVia será introduzida no silício fabricado pela Intel a partir do nó Intel 20A, que entra em produção em 2024 (a Intel 20A também verá a introdução de um novo design transistor totalmente completo chamado RibbonFET; os clientes dos Serviços de fundação Intel podem se beneficiar de ambas as inovações no nó Intel 18A subsequente, chegando mais tarde em 2024). Para isolar o desenvolvimento da PowerVia, eles pegaram os transistores bem comprovados do nó de processo Intel 4 anterior e construíram um nó especial entre nós com o design de energia e interconexão planejado para o Intel 20A.

Um nó especial de processo de teste para isolar a potência backside

E embora as equipes de fabricação e design da Intel criem regularmente todo tipo de chips de teste de Frankenstein — para testar novos projetos e propriedades intelectuais e solidificar os processos de silício — eles geralmente não os tornam tão funcionais e completos quanto Blue Sky Creek. Neste caso, as equipes precisavam verificar não apenas que poderiam construir e testar um chip desta forma, mas também que a nova configuração não traria novos problemas para o produto final.

Por exemplo, calor. "Normalmente você usa o lado do silício também para dissipação de calor", explica Sell. "Então, agora você tem sanduíches seus transistores e a pergunta é: 'Temos um problema térmico? Nós temos muito aquecimento local?'" Neste ponto, você provavelmente pode adivinhar a resposta: não.

"O que foi mais incrível", lembra Sell, "foi apesar dessas mudanças radicais" — a sanduíche de transistores no meio do chip e a introdução deste pesado "polimento" ao processo — "poderíamos fazer os transistores parecerem muito, muito próximos ao que tínhamos no Intel 4".

Quanto à PowerVia, ela não tem peer. De acordo com relatórios recentes, a introdução planejada da Intel para 2024 da PowerVia colocaria os concorrentes "cerca de dois anos atrás" quando se trata de energia backside.

"Pelo menos para este período de tempo", confirma Sell, "temos uma opção de entrega de energia backside bastante competitiva".

Sua primeira oportunidade de sentir os muitos benefícios da PowerVia virá no próximo ano na forma de Arrow Lake, um processador Intel de última geração para PCs construídos usando o processo Intel 20A. Seus bilhões de transistores serão invertidos, trabalhando com mais eficiência do que nunca.