Problem für Intels 18A? IMEC analysiert Temperaturprobleme durch BSPDN
Simulationen der IMEC sprechen dafür, dass die rückwärtige Chipverdrahtung, die mit Intels 18A debütiert, deutlich höhere Hotspot-Temperaturen verursacht. Im schlimmsten Fall ist von einem Anstieg um 14 °C die Rede.
Im kommenden Jahr dürfte es in der Halbleiter-Fertigung zu einem Schlagabtausch zwischen TSMC und Intel kommen. Beide Unternehmen wollen dann mit ihrer Fertigungen vom Typ N2 bzw. 18A erstmals auf GAA-Transistoren setzen und damit um Auftragskunden buhlen. Dafür setzt Intel zugleich noch auf eine weitere, große Änderung am Fertigungsprozess: Nachdem die 20A-Fertigung eingestampft wurde, wird 18A der erste Prozess, bei dem die Energieversorgung von der Oberseite des Chips auf die Unterseite wandert.
Besser, aber wärmer
Ebendiese Technik heißt Backside Power Delivery Network (BSPDN), wird von Intel aber als Power Via vermarktet. Durch die Änderung wird die Versorgung und Verschaltung der Transistoren verbessert werden, was wiederum dem Maximaltakt und der Packdichte zugutekommen soll. Eine vom Mikroelektronik-Forschungszentrum IMEC erstellte Analyse weist aber im Vorfeld auf mögliche Probleme durch BSPDN / Power Via hin - denn durch die neue Chipverdrahtung kommt es verstärkt zu Hotspots.
Quelle: IMEC
Durch die tendenziell dickeren Leistungsverbindungen wird ein Gutteil der Wärme nach unten geleitet.
Die Erkenntnisse der IMEC basieren dabei auf Simulationen. Für diese wurde ein Testchip mit 80 nicht näher genannten ARM-Kernen im zukünftigen A10-Prozess mit BPSDN als Ausgangsbasis genommen. Im simulierten Szenario lag die Temperatur dabei um 10 bis 14 °C über einem Prozess mit regulärer Verdrahtung. Als Grund dafür wird der zusätzliche Wärmepfad genannt. Die Wärme wird weiterhin hauptsächlich nach oben abgeführt. Unter dem Chip erzeugte oder zunächst dorthin abgeleitete Wärme muss dafür durch zusätzliche Schichten gelangen und ist damit einem höheren, thermischen Widerstand ausgesetzt.
Quelle: IMEC
Als beste Gegenmaßnahme wird die Unterbringung einer möglichst dicken Leitungsplatte unter dem Chip genannt. Allein mit einer 6 µm dicken Kupferplatte könnte der Anstieg auf "nur" noch knapp 6° C beschränkt werden.
Glücklicherweise gibt es laut der IMEC einige Wege, um die Temperaturerhöhung in den Griff zu bekommen. Besonders effektiv ist das Einbringen einer Groundplane/Kupferplatte im Bereich der Leistungsverbindungen. Dadurch kann die Wärme schnell in horizontaler Richtung verteilt und die Hotspot-Temperatur reduziert werden. Darüber hinaus sollen auch der Einsatz von besonders vielen Leitungen zur Verdrahtung, von besseren Wärmeleitern und ein optimiertes Bonding die Temperatur senken können. Im Vergleich zur erstgenannten Maßnahme sind hier aber nur kleine Verbesserungen zu erwarten. Und selbst mit allem gemeinsam kann der Temperaturanstieg vermutlich nur auf fünf Grad begrenzt, aber nicht gänzlich annulliert werden.
Quelle: IMEC
Das wahre Ausmaß der Hotspots zeigt sich laut der IMEC nur bei einer hohen Simulationsauflösung. Das dürfte die Chipentwicklung weiter verkomplizieren.
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Kritisch für die Chipentwicklung, und damit womöglich auch für Intel, dürfte dabei die Größe der Hotspots sein. Das Problem zeigt sich offenbar nur bei sehr kleinen Simulationsauflösungen. Diese werden in der frühen Entwicklung aber offenbar nicht immer beachtet, sodass es schlimmstenfalls zu nachträglichen Korrekturen kommen könnte. Ob Temperatur-Hotspots für Intels 18A-Technik tatsächlich ein Problem werden, lässt sich im Voraus aber natürlich kaum abschätzen. Schon Samsungs früher Wechsel auf GAA-Transistoren hat aber gezeigt, dass der frühe Einsatz einer Technik nicht immer ein Vorteil sein muss. Grundsätzlich ist die Entwicklungsrichtung aber klar, denn auch bei TSMC steht BSPDN auf dem Plan - ab 2026.
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Quelle: IMEC (IEDM 2024)
Die Probleme gibts zwar in jeder Prozess-Generation, aber sie sind halt aktuell völlig unbrauchbar beim Wechsel ins Foundry Business.
Nur zur Info: Samsung versucht schon seit bald 5 Jahren ihren GAA Prozess serienreif zu bekommen und ist inzwischen in der "3. Generation" angekommen - aber die Yields scheinen katastrophal zu sein.
"Intel in Problemen, neue Fertigung vor heißen Problemen" wäre Klickbait
Und selbst mit allem gemeinsam kann der Temperaturanstieg vermutlich nur auf fünf Grad begrenzt, aber nicht gänzlich annulliert werden.
PCGH ist nunmal ein Online Magazin was seltsamerweise Geld verdienen muss und demnach Klicks generieren muss. Ja, ich finde viele Artikel sehr schlecht recherchiert und teilweise einfach nur abgeschrieben (so wie hier); noch schlimmer finde ich Anzeigen als Artikel versteckt; aber die Artikelheadline ist noch das kleineste Problem an der Sache!