Samsung công bố đột phá về mạng cung cấp năng lượng mặt sau – điều đó có ý nghĩa gì đối với các chip trong tương lai?
Nhiều tiến bộ trong công nghệ bán dẫn xoay quanh việc giảm kích thước đóng gói trong khi kết hợp chức năng bổ sung và phương pháp phân phối điện hiệu quả hơn. Các phương pháp cung cấp năng lượng hiện tại tiêu tốn không gian đáng kể trên tấm wafer, dẫn đến tăng chi phí, kích thước khuôn lớn hơn và ít bóng bán dẫn hơn. Đầu năm nay, Samsung Semiconductor đã trình bày nghiên cứu của mình về một giải pháp thay thế cho các phương pháp cung cấp điện bán dẫn thông thường: cung cấp điện từ mặt sau. Điều này có thể dẫn đến giảm đáng kể kích thước khuôn và giảm tắc nghẽn định tuyến.
Theo một báo cáo từ TheElec và của bài thuyết trình của Samsung tại Hội nghị chuyên đề tích hợp quy mô rất lớn (VLSI) đầu năm nay, nhà sản xuất chất bán dẫn đã sử dụng công nghệ mới mạng phân phối điện mặt sau (BS-PDN – back side power delivery network) các phương pháp để giảm thành công 14,8% diện tích tấm wafer cần thiết khi so sánh với các mạng phân phối điện phía trước (PDN) truyền thống.
Việc triển khai thành công cũng giúp giảm 10,6% và 19% diện tích trong hai mạch ARM trong khi giảm 9,2% chiều dài dây dẫn.
Trong các PDN mặt trước (FSPDN – front side power delivery network) truyền thống, các thành phần bán dẫn phải được bố trí ở mặt trước của tấm wafer để cung cấp đường truyền từ đường dây điện đến đường tín hiệu và đến các bóng bán dẫn.
Cấu hình này yêu cầu không gian và tài nguyên được chia sẻ giữa các mạng phân phối và tín hiệu, định tuyến ngày càng bền để mang các điện tử qua back-end-of-line ngăn xếp và có thể dẫn đến tổn thất năng lượng trong quá trình truyền tới đường ray trên mặt đất trong cấu trúc chất bán dẫn.
BS-PDN (Mạng phân phối điện mặt sau) được thiết kế để giải quyết các hạn chế về kiến trúc và phân phối điện này. Cách tiếp cận này tách rời hoàn toàn mạng phân phối điện và tín hiệu, đồng thời sử dụng mặt sau của tấm wafer để phù hợp với phân phối điện. Thay vào đó, bằng cách sử dụng mặt sau của tấm wafer, Samsung và các nhà sản xuất chất bán dẫn khác có thể điều hướng quá trình phân phối điện năng thông qua các đường dây ngắn hơn, rộng hơn, cung cấp ít lực cản hơn, cải thiện hiệu suất cung cấp điện năng và giảm tắc nghẽn định tuyến.
Mặc dù việc chuyển từ FSPDN sang BS-PDN nghe có vẻ hứa hẹn, nhưng có một số thách thức ngăn cản nó trở thành một phương pháp tiêu chuẩn cho các nhà sản xuất theo đuổi công nghệ.
Một trong những thách thức lớn nhất đối với việc triển khai mô hình cung cấp năng lượng mới, cũng được Samsung trình bày tại hội nghị chuyên đề, là khả năng giảm độ bền kéo liên quan đến BS-PDN. Khi được áp dụng, BS-PDN có thể làm giảm các tác động ứng suất kéo và xuyên qua silicon qua điện cực (TSV), dẫn đến sự tách rời khỏi lớp kim loại.
Samsung cho biết vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách giảm chiều cao hoặc mở rộng TSV, tuy nhiên cần phải nghiên cứu và thử nghiệm thêm trước khi đưa ra giải pháp chính thức. Những tiến bộ bổ sung trong kết nối tín hiệu và đường dây điện cũng sẽ được yêu cầu để áp dụng thành công BS-PDN.
Ngoài những điều trên, những tiến bộ trong đánh bóng cơ học hóa học (CMP) công nghệ cũng sẽ được yêu cầu. Việc triển khai CMP hiện tại được sử dụng để loại bỏ “đỉnh và đáy” từ 5 đến 10 micrômét khỏi mặt sau của tấm wafer. Việc triển khai BS-PDN có thể yêu cầu một cách mới để đánh bóng wafer mà không làm hỏng các thành phần nguồn bên dưới.
Samsung không có mốc thời gian hiện tại phác thảo việc triển khai chính thức các kiến trúc dựa trên BS-PDN, nhưng dựa trên những phát hiện và thách thức hiện tại, vẫn chưa rõ liệu chúng ta có thấy các triển khai BS-PDN từ Samsung hay các nhà sản xuất khác như TSMC và Intel trong vài năm nữa.