RibbonFET und PowerVia läuten gemeinsam eine neue Ära für Intel 18A-Chips ein
- Kimi
- 29. März
- 6 Min. Lesezeit
Angesichts des zunehmend härteren Wettbewerbs in der Halbleiterindustrie hat Intel mit seiner neuesten Intel 18A-Prozesstechnologie seine Entschlossenheit unter Beweis gestellt, seine technologische Führungsposition zurückzuerobern. Dieser fortschrittliche Prozess, der voraussichtlich im Jahr 2025 in Massenproduktion gehen wird, ist nicht nur der Höhepunkt von Intels Plan „Fünf Prozessknoten in vier Jahren“, sondern öffnet auch ein neues Kapitel in puncto Chipleistung, Dichte und Energieeffizienz durch zwei wichtige technische Highlights: RibbonFET-Transistoren mit vollständig umgebenem Gate und PowerVia-Technologie für die rückseitige Stromversorgung. Wie arbeiten diese beiden „scharfen Schwerter“ zusammen, um Intel 18A zum Mittelpunkt der Branche zu machen? Lass es uns herausfinden!
RibbonFET: Die „Full Surround“-Evolution des Transistors
Transistoren sind die Seele von Halbleiterchips. Da die Prozesstechnologie immer weiter schrumpft, stößt die traditionelle FinFET-Architektur (Fin-Feldeffekttransistor) allmählich an ihre physikalischen Grenzen. Probleme wie erhöhte Leckage, Schwierigkeiten bei der Wärmeableitung und schlechte Stromkontrolle haben die Industrie dazu veranlasst, nach Durchbrüchen bei der nächsten Generation der Transistortechnologie zu suchen. Der RibbonFET Gate-All-Around (GAA)-Transistor von Intel ist die Antwort auf diese technologische Revolution und kann als großer Fortschritt in der Transistorarchitektur angesehen werden.
Technische Grundlagen und Vorteile
Das Kerndesign von RibbonFET besteht darin, das Gate von drei Seiten des FinFET so zu entwickeln, dass es den bandförmigen Transistorkanal vollständig abdeckt und so eine dreidimensionale „Full Surround“-Struktur bildet. Dieses Design verbessert die Fähigkeit des Gates, den Strom im Kanal zu steuern, erheblich und macht den Stromfluss stabiler und präziser. Zu den Vorteilen von RibbonFET zählen insbesondere die folgenden:
Reduzieren Sie Leckagen und verbessern Sie die Energieeffizienz
Bei herkömmlichen FinFETs wird der Leckstrom mit abnehmender Transistorgröße immer schwerwiegender, was zu einem erhöhten Stromverbrauch und einem höheren Wärmeableitungsdruck führt. RibbonFET verwendet ein vollständig umgebendes Gate, um den Strom fest im Kanal zu „sperren“, wodurch Leckagen erheblich reduziert werden. Den Tests von Intel zufolge kann diese Technologie bei niedrigeren Spannungen (beispielsweise einer Schwellenspannung von nur 0,3 V) betrieben werden und erreicht so eine höhere Leistung pro Watt, was bei Geräten, die über einen langen Zeitraum betrieben werden müssen (wie Laptops oder Server), einen erheblichen Energiespareffekt hat.
Schnellere Schaltgeschwindigkeit, explosive Leistung
Durch die Full-Wrap-Struktur kann das Gate den Strom präziser steuern und so die Schaltgeschwindigkeit des Transistors erhöhen. Ob in Hochspannungs- oder Niederspannungsumgebungen, RibbonFET kann einen stärkeren Antriebsstrom liefern, was bedeutet, dass der Prozessor Rechenaufgaben schneller erledigen kann. Dies ist ein großes Plus für KI-PCs oder High-Performance-Computing (HPC).
Platzersparnis und Designflexibilität
RibbonFET verwendet vertikal gestapelte Streifenkanäle, wodurch mehr Transistoren auf einer kleineren Fläche Platz finden und im Vergleich zur horizontalen Stapelung von FinFET eine höhere Dichte erreicht wird. Noch erstaunlicher ist, dass die Kanalbreite je nach Anwendungsanforderungen angepasst werden kann, beispielsweise schmaler für Geräte mit geringem Stromverbrauch und breiter für Chips mit hoher Leistung. Durch dieses flexible Design kann RibbonFET an eine Vielzahl von Szenarien angepasst werden, von Mobiltelefonen bis hin zu Servern.
Beweis für die Grenzen der Technologie
Auf dem IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) Ende 2024 demonstrierte Intel die extreme Skalierbarkeit von RibbonFET: Die Gate-Länge beträgt nur 6 Nanometer und die Kanaldicke ist auf 1,7 Nanometer komprimiert. Trotz seiner geringen Größe verfügt RibbonFET immer noch über die branchenführende Kontrolle und Leistung des Kurzkanaleffekts und beweist damit sein Miniaturisierungspotenzial. Dieser technologische Durchbruch setzt nicht nur das Mooresche Gesetz fort, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für das zukünftige Chipdesign. Für Gamer bedeutet dies, dass zukünftige CPUs oder GPUs nicht nur schneller laufen, sondern auch weniger Strom verbrauchen und Probleme mit der Wärmeableitung nicht so störend sein werden.
PowerVia: Eine Revolution in der Stromversorgung von „Pizza“ bis „Sandwich“
Wenn RibbonFET die Weiterentwicklung der Transistoren darstellt, dann ist die PowerVia-Technologie zur rückseitigen Stromversorgung eine weitere wichtige Innovation von Intel im Chipherstellungsprozess. Beim Backen herkömmlicher Chips verhält es sich wie beim Pizzabacken: Alle Komponenten – Transistoren, Signalleitungen und Stromleitungen – sind auf der Vorderseite zusammengequetscht. Da die Transistoren immer kleiner werden, wird die Verdrahtung immer dichter, was zu endlosen Signalstörungen und Engpässen bei der Stromversorgung führt. PowerVia stellt diese Logik völlig auf den Kopf und macht sie zu einer Art Sandwich, wobei die Stromleitungen auf die Rückseite des Chips verschoben werden und sich die Vorderseite auf die Signalübertragung konzentrieren kann.
Technische Grundlagen und Vorteile
Das Kernkonzept von PowerVia besteht darin, die Stromversorgung vom Signal zu trennen. Die spezielle Methode besteht darin, zunächst Transistoren und Verbindungsschichten herzustellen, dann den Wafer umzudrehen, die Rückseite zu polieren, um die darunterliegende Stromversorgungsstruktur freizulegen, und Nano-Silizium-Durchkontaktierungen (Nano-TSV) einzubetten, um die Stromleitungen anzuschließen. Dieses Design mit „Back Power Supply“ bietet mehrere Vorteile:
Direkte Stromversorgung, wodurch Stromverbrauch und Störungen reduziert werden
Herkömmliche positive Stromversorgungen verfügen über komplexe Schaltkreise und der Strom muss einen langen Umweg nehmen, um den Transistor zu erreichen, was leicht zu Spannungsabfall (IR-Abfall) und Signalübersprechen führt. PowerVia macht den Stromversorgungspfad ultradirekt, von der Rückseite direkt zum Transistor, wodurch Widerstand und Störungen reduziert werden. Tests von Intel zeigen, dass diese Technologie die Plattformspannung um 30 % senken kann, wodurch die Effizienz der Stromversorgung effektiv verbessert und gleichzeitig der Stromverbrauch gesenkt wird, was besonders für Server oder KI-Chips wichtig ist, die einen stabilen Betrieb erfordern.
Die Raumausnutzungsrate stieg dramatisch an, die Dichte nahm zu
Durch die Verlagerung der Stromleitungen nach hinten wird Platz auf der Vorderseite frei, Signalleitungen können dicker und glatter verlegt werden und die Standardzellenauslastung im Chip liegt bei über 90 %. Dies bedeutet, dass mehr Transistoren auf derselben Fläche untergebracht werden können, was die Dichte erheblich verbessert. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren ist dies so, als würden Sie ein Wohnzimmer ausräumen, das ursprünglich voller Gerümpel war, sodass mehr Platz für Aktivitäten bleibt.
Frequenzerhöhung, Leistung auf das nächste Level
PowerVia bietet eine Frequenzsteigerung von 6 % durch verbesserte Energieeffizienz und verbesserte Signalintegrität. Für normale Benutzer bedeutet dies, dass der Prozessor schneller laufen und reaktionsfähiger sein kann. Für Hochleistungsrechnen bedeutet es eine stärkere Rechenleistung. Diese Leistungsverbesserung kann auch mit den schnellen Schalteigenschaften von RibbonFET kombiniert werden und bildet so eine perfekte Ergänzung.
Branchenführende Implementierung
Intel implementierte die PowerVia-Technologie erstmals bereits 2023 auf Testchips in Produktqualität und ist nun auf Intel 18A umfassender implementiert. Im Vergleich dazu rechnet TSMC mit der Einführung einer Backside-Stromversorgung mit seinem A16-Prozess erst im Jahr 2026 oder 2027, während Samsung plant, eine ähnliche Technologie im Jahr 2026 in seinem SF2P-Prozess zu implementieren. Durch die frühzeitige Einführung konnte Intel seiner Konkurrenz im Bereich der Back-End-Stromversorgung um mindestens ein bis zwei Jahre voraus sein und damit seine starken technologischen Fähigkeiten unter Beweis stellen.
Intel 18A: Leistung, Dichte und Energieeffizienz gewinnen dreimal
Dank der Unterstützung der beiden Haupttechnologien RibbonFET und PowerVia kann man sagen, dass die Leistung des Intel 18A in voller Blüte steht. Offiziellen Angaben zufolge wird die Leistung pro Watt von 18 A im Vergleich zum Intel 3-Prozess um 15 % verbessert und die Chipdichte um 30 % erhöht. Dies bedeutet, dass zukünftige Prozessoren mehr Transistoren auf kleinerer Fläche unterbringen können, während sie gleichzeitig schneller laufen und weniger Strom verbrauchen, wodurch eine Win-Win-Situation hinsichtlich Leistung, Dichte und Energieeffizienz entsteht.
In der Praxis hat Intel diese Technologie bereits in seinen eigenen Produkten eingesetzt. Muster der beiden Prozessoren, Panther Lake für KI-PCs und Clearwater Forest für Server, wurden ausgeliefert und erfolgreich hochgefahren und führen das Betriebssystem aus. Die Massenproduktion wird für 2025 erwartet. Die DDR-Speicherleistung von Panther Lake erreicht die Zielfrequenz und Clearwater Forest wird mit der Foveros Direct 3D-Verpackungstechnologie kombiniert, um die erste hochdichte Hochleistungslösung der Branche zu werden. Diese Erfolge machen Intels eigene Produkte nicht nur wettbewerbsfähiger, sondern ziehen auch die Aufmerksamkeit externer Kunden auf sich.
TSMC einen Schritt voraus? Der Schlüssel zum Ökosystem und zum Zeitplan für die Massenproduktion
Wenn es um Wettbewerb geht, müssen wir uns mit TSMC vergleichen. Es wird erwartet, dass der N2-Prozess von TSMC Ende 2025 in die Massenproduktion geht und die erste Produktcharge erst 2026 verfügbar sein wird. Intels 18A könnte bereits in der ersten Hälfte des Jahres 2025 in die Massenproduktion gehen, also fast ein Jahr früher. Dieser Zeitunterschied ist ein großer Vorteil für Intel, insbesondere in einer Zeit, in der die Nachfrage nach KI-PCs und -Servern explodiert. Die erste Position zu erobern, ist der Schlüssel zum Erfolg.
Darüber hinaus baut Intel auch aktiv die Unterstützung des Ökosystems auf. Große EDA-Hersteller wie Cadence und Synopsys haben begonnen, das Design Kit (PDK 1.0) von Intel 18A zu unterstützen. Mehr als 35 Partner decken die Bereiche Design, Cloud sowie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung ab und ermöglichen den Kunden einen reibungslosen Übergang zum neuen Prozess. Im Vergleich dazu hat sich TSMC zwar fest als Marktführer etabliert, doch Intels umfassender Angriff auf Technologie und Ökosystem hat tatsächlich einen nicht zu unterschätzenden Ehrgeiz des Unternehmens gezeigt.
Fazit: Intels Comeback?
Von der präzisen Stromregelung und dem hochdichten Design von RibbonFET bis hin zur Stromversorgungsinnovation und Platzoptimierung von PowerVia ist Intel 18A nicht nur ein technologischer Durchbruch, sondern auch Intels Hoffnung, sein Gießereigeschäft wiederzubeleben. Die Kombination dieser beiden mächtigen Schwerter hat die Chipleistung und Energieeffizienz auf ein neues Niveau gehoben und zugleich einen neuen Meilenstein für Intel in der Halbleiterindustrie markiert. Obwohl Intel in den vergangenen Jahren in seinem Foundry-Geschäft viele Rückschläge hinnehmen musste, zeigen die Fortschritte von 18A, dass das Unternehmen möglicherweise in der Lage ist, die Wende herbeizuführen. Wenn Panther Lake und Clearwater Forest im Jahr 2025 erfolgreich in Massenproduktion gehen können und potenzielle Kunden wie Broadcom und sogar das gemunkelte NVIDIA dazukommen, könnte Intel in diesem Kampf möglicherweise auf die Rückkehr auf den Thron der technologischen Hegemonie bauen.
Für taiwanesische Technologiefans ist der Aufstieg von Intel 18A nicht nur eine Technologieshow, sondern möglicherweise auch ein Auftakt zu einer Umstrukturierung der zukünftigen PC- und Servermärkte. Sind Sie bereit für diese neue Chip-Revolution?
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