先进节点与器件

背面供电(BSPDN)

几十年来,芯片把所有东西都堆在硅片的同一面:几十层金属同时承载着信号线(逻辑彼此对话的通道)和电源线(给每个晶体管送去供电电压)。随着特征尺寸越缩越小,这两份活儿开始争抢同一片拥挤的空间——而供电还有个特别的麻烦。把电流顺着这一摞高高的金属层往下送的导线又细又有电阻,于是供电电压在往下走的途中会稍稍塌一点。这一塌就是 IR 压降,而且它恶化的方式恰好印证了互连缩放的极限:导线越细就电阻越大、裕量越小,逻辑也就更慢、更不可靠。背面供电正是这样回应这一极限的——它给电源单独划出一块地盘。你把晶圆减薄,在硅片的背面再建一张金属网络,专门用来送电,而正面那一摞金属则被腾出来,只管走信号。

把它想成一栋公寓楼,原本把上下水、电路和走廊全都塞在同一组竖井里——什么都在挤地方。背面供电就像把所有管路都挪到楼后的一条服务通道里。这样一来,前面的走廊(信号)变得更宽、更好排布;而管路(电源)则能用又粗、又短、电阻又低的大管子,从正后方直接通到每一层,不必再从楼顶一路蜿蜒下来。由此带来两个好处。第一,IR 压降变小了,因为背面的电源轨更粗,电流到达每个晶体管所走的路也短得多。第二,布线拥挤缓解了,因为把那些粗壮的电源轨从正面各层撤走后,就给布局布线一直挤不下的信号线腾出了更多空间。它正是在 2nm 这一代前后进入量产的技术之一。

FRONT-ONLY (legacy)        BACKSIDE POWER (BSPDN)
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│ signal + POWER mix │      │  signals only     │  front metal
│  (crowded stack)   │      │  (less congested) │
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│   transistors     │      │   transistors     │  silicon
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│   (bulk silicon)  │      │  POWER network    │  backside metal
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      power fights              power on the back,
      signals up top           signals up front

传统芯片让电源和信号挤在同一摞正面金属里走线;BSPDN 把电源网络挪到减薄晶圆的背面,把正面各层留给信号,也缩短了送电的路径。

BSPDN 既是设计上的跨越,更是制造上的跨越——它要求把晶圆减薄到几乎不剩什么,再键合到一块载体上,还要用细小的垂直过孔把正面和背面连通起来,所以它是与那套同样能造出 2nm 级芯片的先进节点与封装工艺一同到来的。

又称
BSPDNbackside power delivery networkburied power rails背面供电网络背面供電網路埋入式电源轨埋入式電源軌