Intel, VLSI 2025 sempozyumunda 18A (1.8nm eşdeğeri) işlem teknolojisinin detaylarını paylaştı. Bu yeni üretim düğümü, önceki nesillere göre güç tüketimi, performans ve alan (yoğunluk) açısından önemli iyileştirmeler sunmayı hedefliyor. Daha da önemlisi, bu yılın ikinci yarısında seri üretime geçtiğinde, Intel'in uzun yıllar sonra sektördeki rakiplerinin en gelişmiş teknolojileriyle doğrudan rekabet edecek ilk süreci olacak.
PPA Avantajları
Intel'in 18A işlem düğümü, hem kullanıcı (istemci) hem de veri merkezi uygulamaları dahil olmak üzere geniş bir ürün yelpazesi için tasarlandı. Bu teknolojiyi kullanacak ilk Intel ürünü, bu yıl içinde duyurulması beklenen Panther Lake işlemcisi olacak. Farklı uygulamalara hitap etmek için 18A'nın iki farklı kütüphanesi bulunuyor: 180nm hücre yüksekliğine sahip yüksek performans (HP) ve daha düşük güç tüketimi odaklı 160nm hücre yüksekliğine sahip yüksek yoğunluk (HD) kütüphaneleri.
Intel, 18A üretim teknolojisinin, Intel 3'e kıyasla performansı %25 artırdığını belirtiyor. Bu iyileşmeyi, tipik bir Arm çekirdeği alt bloğu üzerinde yapılan testlerde (180CH HD kütüphanesi, 1.1V) voltajı veya devre karmaşıklığını artırmadan başardığı ifade ediliyor. Aynı saat hızları ve 1.1V voltajda çalışırken, Intel 3'teki aynı tasarıma göre güç tüketimini %36 oranında düşürüyor. Daha düşük bir voltaj olan 0.75V'ta ise 18A, %18 daha hızlı performans sunarken, %38 daha az enerji harcıyor. Ayrıca, 18A ile üretilen çipler, Intel 3 ile üretilenlere göre yaklaşık %28 daha az yer kaplıyor, bu da yoğunlukta önemli bir artış anlamına geliyor.
Intel 3 ve 18A arasındaki voltaj karşılaştırmasında dikkat çeken bir nokta var. Intel 3, özellikle veri merkezi cihazları için uygun olan <0.6V, 0.75V, 1.1V ve 1.3V gibi geniş bir voltaj aralığını destekliyor. Bu tür iş yükleri, tepe performansı gerektiğinde yüksek saat hızlarına çıkmalı, ardından güç tasarrufu için düşük güç durumuna geçmelidir. Buna karşılık, 18A'nın 0.4V, 0.75V ve 1.1V'ı desteklediği görülüyor. Bu aralık, istemci bilgisayarlar ve veri merkezi işlemcileri için oldukça iyi olsa da, maksimum saat hızlarına ihtiyaç duyan işlemciler için ideal olmayabilir. Ancak Intel 18A'nın diğer avantajları, çoğu uygulama için 1.3V desteği eksikliğini telafi edebilir.
SRAM (statik rastgele erişimli bellek) konusunda ise, Intel'in 18A süreci 0.021 µm²'lik yüksek yoğunluklu bir SRAM bit hücresi içeriyor. Bu, yaklaşık 31.8 Mb/mm²'lik bir SRAM yoğunluğuna denk geliyor ve Intel 4'te kullanılan 0.024 µm²'lik hücreye göre önemli bir gelişme. Bu değer, SRAM yoğunluğu açısından rakiplerin N5 ve N3E düğümleriyle paralellik gösteriyor. Ancak rakip firmaların gelecek nesil N2 süreci, hücre boyutunu yaklaşık 0.0175 µm²'ye düşürerek daha yüksek bir yoğunluk (yaklaşık 38 Mb/mm²) hedefliyor.
Intel 18A, şirketin ikinci nesil RibbonFET (Gate-All-Around - GAA) transistörlerine ve PowerVia (Backside Power Delivery Network - BSPDN) adı verilen arka yüz güç dağıtım ağına dayanıyor.
RibbonFET
GAA transistörlerinde, geçit kanalı tamamen sarar, bu da sadece üç tarafını saran FinFET'lere kıyasla üstün elektrostatik kontrol sağlar. Bu mimari, mühendislerin toplam etkili kanal genişliğini (Weff) ayarlayarak cihaz özelliklerini yüksek performans veya düşük güç tüketimi için hassas bir şekilde ayarlamasına olanak tanır. Bu genellikle nanosheet'lerin genişliği ve sayısı değiştirilerek yapılır. Daha fazla veya daha geniş nanosheet'ler, güç tüketimi pahasına sürücü akımını ve performansı artırabilirken, daha az veya daha dar olanlar hem performansı hem de güç tüketimini azaltır.
Intel'in 18A RibbonFET transistörleri dört adet nanoribbon'a sahiptir ve 180mV aralığı kapsayan sekiz farklı mantık eşik voltajını (VT) destekler (NMOS için dört, PMOS için dört). Bu seviyedeki VT hassasiyeti, dipol bazlı çalışma fonksiyonu ayarlamasıyla elde edilir. Bu yöntem, transistörün fiziksel boyutlarını değiştirmeden davranışını hassas bir şekilde kontrol etmeyi sağlar. Özellikle RibbonFET gibi GAA transistör yapılarındaki sıkı alan kısıtlamaları düşünüldüğünde, doping ayarlamaları gibi geleneksel yöntemlerin sınırlı kaldığı durumlarda bu yaklaşım önemlidir.
Yayınlanan bir grafikte görüldüğü gibi, bu geniş VT aralığına rağmen transistörler, dik subthreshold eğimleri ve hem Id–Vg hem de Id–Vd eğrilerinde iyi davranış gösteren sürücü akımları dahil olmak üzere güçlü elektriksel özellikler sergilemektedir. Bu sonuçlar, Intel'in tüm VT spektrumu boyunca cihaz performansını ve kontrolünü başarıyla sürdürdüğünü doğrulamaktadır. Bu da aynı süreç içinde frekans, güç ve sızıntıyı dengeleyen esnek devre tasarım seçeneklerine olanak tanır.
PowerVia
Intel'in PowerVia arka yüz güç dağıtım ağı (BSPDN), güç dağıtımını çipin üst metal katmanlarından arka yüzüne taşır. Bu, güç ve sinyal kablolaması arasında fiziksel bir ayrım yaratır. Bu teknik, çipin arka katmanlarındaki dikey bağlantılarda artan direnç gibi sorunları ele alarak transistör verimliliğini artırır ve güç kullanımını azaltır. Ayrıca, güç parazitinin neden olduğu sinyal bozulmasını önler ve mantık elemanlarının daha sık paketlenmesine olanak tanıyarak genel devre yoğunluğunu artırır.
Intel'in PowerVia'sı gücü transistör kontaklarına iletir. Bu yaklaşım, rakip firmaların Super Power Rail'ine (2026'nın ikinci yarısında gelecek) göre biraz daha az sofistike olabilir. BSPDN'ye ek olarak, Intel güç kaynağı kararlılığını artırmak için yeni yüksek yoğunluklu metal-insülatör-metal (MIM) kapasitörünü de uygulamıştır.
Intel, arka yüz güç yönlendirmesinin temel faydalarını açıkladı. Birincisi, PowerVia transistör yoğunluğunu %8 ila %10 artırır; bu, 18A'nın Intel 3'e göre genel 1.3 katlık transistör yoğunluğu artışının oldukça önemli bir parçasıdır. İkincisi, 18A sürecindeki ön yüz metal katmanları, iyileştirilmiş metalizasyon teknikleri ve ultra düşük k dielektriklerin kullanımı sayesinde Intel 3'e göre yaklaşık %12 daha iyi direnç-kapasitans (RC) performansı elde eder ve via direncinde %24 ila %49 arasında bir azalma gösterir. Üçüncüsü, 18A'nın PowerVia'sı, Intel 3'ün en kötü senaryosuna kıyasla voltaj düşüşünü (voltage droop) 10 kata kadar azaltır. Son olarak, BSPDN, sinyal ve güç kablolarının yönlendirilmesini basitleştirdiği için çip tasarımını kolaylaştırır.
PowerVia'nın Güvenilirliği
PowerVia, seri üretimde kullanılan endüstrinin ilk arka yüz güç dağıtım ağı (BSPDN) olduğundan, Intel güvenilirlik test sonuçlarını da sunmuştur. Bu sonuçlar, uzun vadeli dayanıklılığını ve çip-paket etkileşimi (CPI) performansını göstermektedir.
Standart testlere göre PowerVia, sıfır hata ile çoklu stres koşullarından geçmiştir. Bunlar arasında yüksek hızlandırılmış stres testleri, uzatılmış yüksek sıcaklıkta fırın testleri ve termal döngü testleri bulunmaktadır. Bu sonuçlar, PowerVia'nın zorlu çalışma ortamlarına yapısal veya elektriksel bütünlüğünden ödün vermeden dayanabileceğini doğrulamaktadır.
Güvenilirliğe ek olarak, Intel, PowerVia'nın SRAM yaşlanması ve performans kararlılığı üzerindeki etkisini de değerlendirdi. Yüksek sıcaklıkta uzun süreli çalışmaya eşdeğer koşullar altında, SRAM dizileri kararlı minimum çalışma voltajını (Vmin) marjinle sürdürdü ve herhangi bir bozulma belirtisi göstermedi. Bu, PowerVia'nın çip üzerindeki hassas belleği olumsuz etkilemediğini ve uzun süreli stres altında hem dijital mantığı hem de yerleşik SRAM'i destekleyecek kadar sağlam olduğunu göstermektedir. Bu bulgular, PowerVia'nın yüksek performanslı, uzun ömürlü bilgi işlem platformlarında kullanıma hazır olduğunu teyit etmeyi amaçlamaktadır.
Üretilebilirlik
Performansı artırmanın, güç tüketimini azaltmanın ve daha yüksek transistör yoğunluğu sağlamanın yanı sıra, Intel'in 18A'sı üretim akışlarını basitleştirir ve çip tasarımını kolaylaştırır.
Güç dağıtımını arka yüze taşıyarak Intel, ön yüz güç şebekesine olan ihtiyacı ortadan kaldırmıştır. Bu, doğrudan EUV desenleme ile birleştiğinde, toplam maske sayısını azaltır ve ön uç metal sürecini basitleştirir. Düşük n emici retikülleri uyarlanmış boyutsal ayarlamalarla kullanarak, Intel ayrıca belirli metal katmanları için tek geçişli EUV desenlemesini mümkün kılmıştır. Alt metal katmanlarının bu basitleştirilmesi, süreç karmaşıklığını azaltır ve olgun, düşük maliyetli üretim tekniklerine dayanan ekstra arka yüz metal katmanlarının eklenmesi maliyetini dengelemeye yardımcı olur. Sonuç olarak, genel tasarım süreci daha kolay ve daha ucuz hale gelir.
Ek olarak, 18A'nın PowerVia'sının arka yüz metal katmanları, düşük direnç ve yüksek termal iletkenlik için tasarlanmıştır. Bu, GAA transistörlerinden kaynaklanan artan güç yoğunluğunu yönetmeye yardımcı olur. Ayrıca, taşıyıcı wafer yapıştırma, yüksek performanslı transistörlerin getirdiği termal zorlukları ele alarak, ısıyı arka yüzden uzaklaştırmak için optimize edilmiştir. Son olarak, PowerVia, Foveros ve EMIB gibi gelişmiş paketleme yöntemleriyle uyumludur.
Özet
Intel'in 18A işlem düğümüne ilişkin kapsamlı teknik genel bakışı, onu rakip firmaların gelecek nesil süreciyle rekabet edebilecek şekilde konumlandıran mimari, performans ve üretilebilirlik iyileştirmelerini vurguladı. 18A süreci, Intel'in ikinci nesil RibbonFET (GAA) transistörlerini ve seri üretime hazır endüstrinin ilk arka yüz güç dağıtım ağı olan PowerVia'yı tanıtmaktadır.
Bu yenilikler, Intel 3'e kıyasla %25'e kadar daha yüksek performans veya %36'ya kadar daha düşük güç tüketimi sağlarken, transistör yoğunluğunu da yaklaşık %30 artırıyor.
Intel'in PowerVia'sı %8-10 yoğunluk artışı, metal katmanlarda %12 RC iyileşmesi ve 10 kata kadar daha düşük voltaj düşüşü sağlıyor.
Yeni düğüm ayrıca, uzun süre çalışması gereken tasarımlar için kullanılabileceğini doğrulamak amacıyla zorlu güvenilirlik testlerini geçmiştir. Buna ek olarak, Intel, tek geçişli EUV kullanarak ön uç desenlemeyi daha da kolaylaştırmış, maske sayısını azaltmış ve tasarımı basitleştirmiştir.
Ancak, şirket zorlu sularda yol almaya devam ederken, 18A'nın Intel'in sektördeki konumunu ne ölçüde güçlendireceği henüz netlik kazanmadı.
