Intel, hem çiplerin nasıl üretildiği hem de nasıl test edildiği konusunda radikal bir yeniden düşünmeyi gerektiren yeni bir güç sağlama yaklaşımı olan PowerVia ile çip üretimini alt üst etmek üzere.
Bilgisayar çiplerinin tüm modern tarihi boyunca, bunlar pizza gibi aşağıdan yukarıya doğru katmanlar halinde inşa edilmiştir. Çipler söz konusu olduğunda, en küçük özellikler olan transistörlerle başlarsınız ve daha sonra transistörleri ve çipin farklı bölümlerini birbirine bağlayan giderek daha az küçük kablo katmanları oluşturursunuz (bunlara ara bağlantılar denir). Bu üst katmanlar arasında çipin çalışmasını sağlayan gücü getiren kablolar da yer alır.
Çip tamamlandığında, ters çevirirsiniz, dış dünyaya bağlantı sağlayan bir ambalaja koyarsınız ve bir bilgisayara yerleştirmeye hazır olursunuz.
PowerVia Testi Sektör lideri Performans Gösteriyor
Ne yazık ki bu yaklaşım sorunlarla karşılaşıyor. Çipler küçüldükçe ve yoğunlaştıkça, ara bağlantıları ve güç bağlantılarını paylaşan katmanlar, her bir çipin genel performansını engelleyen giderek daha kaotik bir ağ haline geldi.
Intel’de Teknoloji Geliştirme Başkan Yardımcısı ve PowerVia’yı hayata geçiren ekibin bir parçası olan Ben Sell, bir zamanlar sonradan düşünülen bir şeyken, “şimdi çok büyük bir etkiye sahipler” diyor. Kısacası, güç ve sinyaller azalıyor, geçici çözümler gerektiriyor ya da sadece daha fazla güç aktarıyor.
İki Sorun, Bir Çözüm ve ‘Çok Fazla Endişe ve Tereddüt’
Bu, Intel ekiplerinin bu sorunları önceden görmediği anlamına gelmiyor yeni bir yaklaşım üzerine araştırma ve geliştirme on yıl öncesine dayanıyor ne de Intel bu sorunlarla tek başına yüzleşiyor. Intel ve önde gelen çip üreticilerinin üzerinde çalıştığı çözüm “arka taraf gücü” olarak adlandırılıyor; güç kablolarını transistörün altından çipinin “arka” tarafına taşımanın bir yolunu bulmak ve böylece ara bağlantı veya “ön” tarafı temiz bir şekilde yalnızca ara bağlantıya odaklanmak.
Intel’in arka güç çözümüne PowerVia adı veriliyor ve 2023 VLSI Sempozyumunda yayınlanacak iki yeni makale, Intel’in bunu üretmek, test etmek ve olumlu performans sonuçları göstermek için bir süreç tasarladığını gösteriyor. “Test etme” kısmı en önemlisi, ancak üretim kısmı en şaşırtıcı olanı. Pizza yapımını bir kenara bırakın. İlk kez çip üretimi iki taraflı olacak.
Şöyle işliyor: Daha önce olduğu gibi önce transistörler inşa ediliyor, daha sonra ara bağlantı katmanları ekleniyor. Şimdi işin eğlenceli kısmı: Çip plakasını ters çevirin ve “her şeyi parlatın,” diyor Sell, güç için tellerin bağlanacağı alt katmanı ortaya çıkarmak için. “Biz buna silikon teknolojisi diyoruz,” diye ekliyor Sell, “ama bu çip plakalarında kalan silikon miktarı gerçekten çok az.”
Sell, ciladan sonra “artık sadece çok az metal katmanınız var ve hepsi çok kalın” diye açıklıyor nanometreler diyarında yaşadığını hatırlayın, bu yüzden “kalın” sadece mikrometre anlamına geliyor. Bu da “transistörünüze güç iletimi için çok doğrudan bir yol” bırakıyor.
Maliyet, Performans ve Güç Avantajları Karmaşıklığı Aşıyor
Sell, bu yaklaşımın faydalarının çok çeşitli olduğunu ve yeni sürecin ek karmaşıklığını aştığını doğruluyor.
Örneğin, güç kabloları ön taraftaki gayrimenkulün %20’sini kaplayabiliyor, dolayısıyla bu kablolar ortadan kalktığında ara bağlantı katmanları “rahatlayabiliyor”. Sell, “Bu, tüm bu büyük sürecin maliyetini fazlasıyla dengeliyor” diyor ve üretim akışının en dolambaçlı kısmını basitleştirdiğini belirtiyor. Net etki, iki parçalı çevir-geç sürecinin aslında eski yöntemden daha ucuz olmasıdır.
Avantajlar üretimle sınırlı değil. Intel ekibinin yaklaşımı kanıtlamak için kullandığı Blue Sky Creek adı verilen ve Intel’in PC’ler için yakında çıkacak Meteor Lake işlemcisinde yer alan Verimli çekirdek (E-core) temelli test çipi, PowerVia’nın eski pizza yönteminin neden olduğu her iki sorunu da çözdüğünü gösterdi. Güç ve ara bağlantı için ayrı ve daha kalın kablolarla, “daha iyi güç dağıtımı ve daha iyi sinyal kablolaması elde edersiniz.”
Ortalama bir bilgisayar kullanıcısı için bu, daha verimli hız anlamına geliyor. İşinizi daha hızlı ve daha az güç harcayarak halledin, Moore Yasası’nın vaadi yine gerçekleşti. İkinci makale kuru bir şekilde şu sonuca varıyor: “PowerVia ile tasarlanan Intel E-çekirdeği, Intel 4 gibi kabul edilebilir hata ayıklama süreleriyle >%5 frekans artışı ve >%90 hücre yoğunluğu gösteriyor.” Sell, bunun sadece kabloları hareket ettirmek için “önemli” bir frekans artışı olduğunu doğruluyor.
Kasıtlı, Gizli Hatalar İçeren Bir Test Çipi
Günümüzde çip test teknikleri, ilk ve en alt katmandaki transistörlerin erişilebilirliğine dayanmaktadır. Transistörlerin artık çipin ortasına sıkıştırılmasıyla birlikte, “bu tekniklerin çoğunun yeniden geliştirilmesi gerekti” diyor Sell.
“Pek çok endişe ve tereddüt vardı ve muhtemelen çözülmesi en zor şey buydu bu yeni arka taraf güç dağıtımında hata ayıklamanın nasıl yapılacağı.” İşleri daha da zorlaştırmak için test çipi tasarım ekibi, doğrulama ekibinin haberi olmadan çipe kasıtlı olarak bazı “Paskalya yumurtası” hataları ekledi ve hataları buldular.
Sell, “Son birkaç yılda bu hata ayıklama yeteneklerini geliştirme ve Blue Sky Creek üzerinde kanıtlama konusunda muazzam bir ilerleme kaydettik” diyor.
Bu da Sell ve Intel ekibinin PowerVia reçetesini nasıl bulduklarına dair yeni bir şey daha ortaya çıkarıyor. PowerVia, 2024 yılında üretime girecek olan Intel 20A düğümünden itibaren Intel tarafından üretilen silikonda kullanılmaya başlanacak (Intel 20A’da ayrıca RibbonFET adı verilen yeni bir kapı-etrafı transistör tasarımı da kullanılacak; Intel Foundry Services müşterileri her iki yenilikten de 2024 yılında gelecek olan Intel 18A düğümünde faydalanabilecek). PowerVia’nın gelişimini izole etmek için, önceki Intel 4 işlem düğümünden kendini kanıtlamış transistörleri aldılar ve Intel 20A için planlanan güç ve ara bağlantı tasarımına sahip özel bir ara düğüm oluşturuyor.
Arka Taraf Gücünü İzole Etmek için Özel Bir Test Süreci Düğümü
Intel üretim ve tasarım ekipleri yeni tasarımları ve fikri özellikleri test etmek ve silikon süreçlerini sağlamlaştırmak için düzenli olarak her türden Frankenstein test çipleri yaratırken, bunları genellikle Blue Sky Creek kadar işlevsel ve eksiksiz yapmazlar. Bu durumda, ekiplerin yalnızca bir çipi bu şekilde oluşturup test edebileceklerini değil, aynı zamanda yeni yapılandırmanın nihai ürüne yeni sorunlar getirmeyeceğini de doğrulamaları gerekiyor.
Örneğin ısı. Sell, “Normalde silikon tarafı ısı dağıtımı için de kullanırsınız” diye açıklıyor. “Yani şimdi transistörlerinizi sandviç haline getirdiniz ve soru şu: ‘Termal bir sorunumuz var mı? Çok fazla yerel ısınma oluyor mu?” Bu noktada muhtemelen cevabı tahmin edebilirsiniz: hayır.
“En şaşırtıcı olan şey” diye hatırlıyor Sell, “bu radikal değişikliklere rağmen” transistörleri çipin ortasında sandviç haline getirmek ve sürece bu ağır “parlatma” işlemini eklemek – “transistörlerin Intel 4’tekine çok çok yakın görünmesini sağlayabildik.”
PowerVia’nın pek çok avantajını hissetmek için ilk fırsatınız önümüzdeki yıl Intel 20A süreci kullanılarak üretilen PC’ler için yeni nesil bir Intel işlemci olan Arrow Lake ile gelecek. Milyarlarca transistörü ters çevrilmiş olacak ve her zamankinden daha verimli çalışacak.