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在一場僅限受邀者參加的活動之前，英特爾接受了IEEEE作者的獨家采訪，分享了其為代工客戶提供的新芯片技術。這些進步包括更密集的邏輯和3D堆疊芯片內的互連，它們將是該公司與其他公司的芯片架構師分享的首批高端技術之一。
英特爾正在從一家只生產自己的芯片的公司轉變為一家代工廠，為其他公司生產芯片，并將自己的產品團隊視為另一個客戶。
在內部，英特爾計劃在代號為Clearwater Forest的服務器CPU中使用這些技術的組合。該公司認為，這款擁有數千億晶體管的片上系統產品是其代工業務的其他客戶能夠實現的一個例子。
英特爾數據中心技術和尋路總監Eric Fetzer表示，Clearwater Forest的目標是讓計算實現最佳性能功耗比。“然而，如果我們在整個系統中應用該技術，你會遇到其他潛在的問題，”他補充說。“系統的某些部分不一定像其他部分那樣可擴展。邏輯通常可以很好地用摩爾定律衡量代與代之間的關系。”但其他功能不會。例如，CPU的高速緩沖存儲器SRAM一直落后于邏輯。連接處理器和計算機其他部分的I/O電路甚至更落后。
面對這些現實，就像所有尖端處理器制造商現在面臨的情況一樣，英特爾將Clearwater Forest的系統分解為核心功能，選擇最適合的技術來構建每個功能，并使用一套新的技術技巧將它們重新組合在一起。結果是CPU架構能夠擴展到多達3000億個晶體管。
在Clearwater Forest，數十億個晶體管被分為三種不同類型的硅集成電路，稱為小芯片（dies or chiplets），相互連接并封裝在一起。該系統的核心是多達12個采用英特爾18A工藝制造的處理器內核小芯片。這些小芯片3D堆疊在三個使用英特爾 3制造的“基礎芯片”上，英特爾 3是制造Sierra Forest CPU計算核心的工藝，將于今年推出。CPU的主高速緩沖存儲器、電壓調節器和內部網絡將封裝在基底芯片上。
高級首席工程師Pushkar Ranade表示，“堆疊通過縮短跳數來改善計算和內存之間的延遲，同時實現更大的緩存。
最后，CPU的I/O系統將位于使用英特爾7制造的兩個芯片上，到2025年，英特爾7將落后該公司最先進的工藝整整四代。事實上，小芯片基本上與進入CPU的小芯片相同，減少了開發費用。下面來看看涉及的新技術及其提供的功能。
3D混合焊接
英特爾目前的芯片堆疊互連技術Foveros將一個芯片與另一個芯片連接起來，使用的是長期以來芯片與其封裝連接方式的大幅縮小版本:焊料的微小“微凸塊”被短暫熔化以連接芯片。這使得CPU中使用的Foveros的今天版本大約每36微米進行一次連接。Clearwater Forest將使用新技術Foveros Direct 3D，該技術脫離了基于焊料的方法，將3D連接的密度提高了16倍。
稱為“混合焊接”，它類似于將兩個芯片表面的銅焊盤焊接在一起。這些焊盤略微凹陷并被絕緣體包圍。當一個芯片上的絕緣體被壓在一起時，它們會附著在另一個芯片上。然后加熱堆疊的芯片，使銅在間隙中膨脹并結合在一起形成永久連接。競爭對手臺積電在某些AMD CPUs中使用了一種混合綁定版本，將額外的高速緩存連接到處理器核心小芯片，并在AMD最新的GPU中將計算小芯片連接到系統的基本芯片。
混合鍵合互連使連接密度大大增加。這種密度對服務器市場非常重要，特別是因為這種密度推動了非常低的每比特皮焦通信。如果每比特能源成本過高，數據從一個硅芯片傳輸到另一個芯片所需的能源很容易消耗掉產品的一大塊能源預算。Foveros Direct 3D將成本降至每比特0.05皮焦耳以下，這與在硅芯片內移動比特所需的能量處于同一水平。
大量的能源節省來自于數據傳輸銅纜的減少。假設您想將一個芯片上的512線總線連接到另一個芯片上的相同大小的總線，這樣兩個芯片就可以共享一組一致的信息。在每個芯片上，這些總線可能只有每微米10-20條線。使用今天的36微米間距微凸塊技術將信號從一個芯片傳輸到另一個芯片意味著將這些信號分散到一側數百平方微米的硅上，然后在另一側的同一區域收集它們。費澤說，為所有額外的銅和焊料充電“很快就變成了一個延遲和大功率問題。”相比之下，混合焊接可以在幾個微凸塊占據的相同區域內實現總線到總線的連接。
盡管這些好處可能很大，但向混合結合的轉變并不容易。為了形成混合鍵，需要將一個已經切割好的硅芯片連接到一個仍然附著在晶圓上的芯片上。正確對齊所有連接意味著芯片切割的公差必須比微凸塊技術所需的公差大得多。修復和恢復也需要不同的技術。就連連接失敗的主要方式也不同。對于微凸塊，你更有可能因為一點焊料連接到鄰居而短路。但是混合焊接的危險在于缺陷會導致開路連接。
背面供電
在今天的處理器中，所有的互連，無論是傳輸功率還是數據，都是在芯片的“正面”構建的，位于硅基板上方。Foveros和其他3D芯片堆疊技術需要硅通孔，這種互連可以穿透硅層從另一側進行連接。但是后側功率傳輸要遠不止于此。它將所有電源互連置于硅下方，基本上將包含晶體管的層夾在兩組互連之間。
這種布置有所不同，因為電源互連和數據互連需要不同的特征。電源互連需要較寬以降低電阻，而數據互連應該較窄，以便可以密集封裝。隨著今年晚些時候Arrow Lake CPU的發布，英特爾將成為第一家在商業芯片中引入背面供電的芯片制造商。英特爾去年夏天發布的數據顯示，僅后端電源就帶來了6%的性能提升。
英特爾18A制程技術的背面供電網絡技術將與英特爾20A芯片中的技術基本相同。然而，它在Clearwater Forest的優勢更大。即將推出的CPU在基本芯片內包括所謂的“片上電壓調節器”。使電壓調節接近其驅動的邏輯，意味著邏輯可以運行得更快。較短的距離使調節器能夠更快地響應電流需求的變化，同時消耗更少的功率。
由于邏輯芯片使用背面供電，穩壓器與芯片邏輯之間的連接電阻要低得多，這提供了一種非常有效的連接方式。
下一代RibbonFET
除了背面電源之外，還改用了一種采用英特爾20A工藝的不同晶體管架構：RibbonFET。RibbonFET是一種納米片或全方位柵極晶體管，取代了自2011年以來CMOS的主力晶體管FinFET。借助英特爾18A，Clearwater Forest的邏輯芯片將采用第二代RibbonFET工藝制造。雖然這些器件本身與英特爾20A產品沒有太大區別，但它們的設計有更大的靈活性。
除了支持高性能CPU所需的設備之外，還有更廣泛的器件來支持各種代工應用，這正是英特爾20A工藝的設計目的。其中，一些變化源于FinFET時代失去的一定程度的靈活性。在鰭式場效應晶體管出現之前，采用相同工藝制造的晶體管可以有多種寬度，從而可以在性能（伴隨著更高的電流）和效率（要求更好地控制漏電流）之間進行或多或少的持續權衡。因為FinFET的主要部分是一個具有特定高度和寬度的垂直硅鰭片，所以這種權衡現在必須采取一個設備有多少鰭片的形式。因此，有了兩個鰭，你可以使電流加倍，但沒有辦法增加25%或50%。
有了納米片器件，改變晶體管寬度的能力又回來了。RibbonFET技術能夠在相同的技術基礎上實現不同尺寸的圖樣，當我們從英特爾20A升級到英特爾18A時，我們在晶體管尺寸方面提供了更大的靈活性，
意味著標準單元（設計人員可以用來構建系統的基本邏輯塊）可以包含不同屬性的晶體管。這使得英特爾能夠開發一個“增強庫”，其中包括比英特爾20A工藝更小、性能更好或效率更高的標準單元。
第二代EMIB
在Clearwater Forest中，處理輸入和輸出的芯片使用第二代英特爾EMIB與基礎芯片（具有高速緩存和網絡的芯片）水平連接。EMIB是一小片硅片，包含一組密集的互連和微凸塊，旨在將一個芯片連接到同一平面上的另一個芯片。硅嵌入封裝本身，在芯片之間形成橋梁。
自Sapphire Rapids于2023年發布以來，該技術已在英特爾CPU中投入商業使用。這意味著它是將所有芯片放在硅內插器上的一種成本更低的替代方案，硅內插器是一片帶有互連圖案的硅片，其尺寸足以容納系統的所有芯片。除了材料成本之外，硅插入物的制造成本可能很高，因為它們通常比標準硅工藝設計制造的插入物大幾倍。
第二代EMIB今年首次推出Granite Rapids CPU，它涉及將微凸塊連接的間距從55微米縮小到45微米，并提高導線密度。這種連接的主要挑戰是封裝和硅在受熱時的膨脹速率不同。這種現象可能導致翹曲破壞連接。
此外，在Clearwater Forest的案例中，“還有一些獨特的挑戰，因為我們要將常規芯片上的EMIB連接到Foveros Direct 3D基礎芯片和堆棧上的EMIB，”費澤說他說，這種情況最近被重新命名為EMIB 3.5技術（以前稱為co-EMIB），需要采取特殊步驟來確保所涉及的應力和應變與Foveros堆棧中的硅兼容，Foveros堆棧比普通芯片更薄。
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