英特尔 18A 工艺亮相：技术创新与市场竞争的关键一战

在半导体行业的激烈竞争中，英特尔一直致力于推动技术的创新与突破。2025 年，英特尔在 VLSI 2025 研讨会上发表了一篇关于其 18A（1.8 纳米级）制造工艺的论文，将所有关于该制造技术的信息整合到一份文件中，这无疑是英特尔在半导体领域的一次关键布局。

预计新的 18A 生产节点将在功耗、性能和面积方面较上一代产品有显著提升。与 Intel 3 相比，其密度提升 30%，性能提升 25%，功耗降低 36%。这一进步使得英特尔的 18A 工艺在客户端和数据中心应用领域具有强大的竞争力。首款采用该工艺的英特尔产品将是 Panther Lake CPU，该 CPU 将于今年晚些时候正式发布。为了满足不同的应用需求，英特尔 18A 提供了两种库：高性能（HP）库，单元高度为 180 纳米（180CH）；以及高密度（HD）库，单元高度为 160 纳米（160CH），适用于低功耗应用。

在性能方面，英特尔的 18A 制造技术表现出色。在运行典型的 Arm 核心子模块（使用 1.1 版本的 180CH HD 库实现）时，该技术无需增加电压或电路复杂度即可实现性能提升。在相同时钟频率和 1.1V 电压下运行时，与 Intel 3 上的相同设计相比，该技术功耗降低了 36%。在 0.75V 的低电压下，18A 工艺速度提升了 18%，能耗降低了 38%。此外，采用 18A 工艺制造的设计比采用 Intel 3 的设计占用面积减少了约 28%。

在比较Intel 3和 18A 的电压时，有一个主要问题。前者支持 <0.6V、0.75V、1.1V 和 1.3V，这使其特别适合数据中心设备。这类工作负载在要求峰值性能时，需要跨越数十个核心，爆发到高时钟频率。然后，它需要降频到低功耗状态以节省电量。相比之下，18A 似乎支持 0.4V、0.75V 和 1.1V，这对于客户端 PC 和数据中心 CPU 来说非常好，但对于需要最高时钟速度的处理器来说可能并不理想。然而，Intel 18A 的其他优势可能会弥补绝大多数应用程序缺乏 1.3V 支持的缺陷。

在 SRAM 方面，Intel 18A 工艺包含一个高密度 SRAM 位单元，尺寸为 0.021 µm²，相当于 SRAM 密度约为 31.8 Mb/mm²。这比Intel 4中使用的 0.024 µm² 位单元有了显著提升。这使得Intel 18A 在 SRAM 密度方面与台积电的 N5 和 N3E 节点相当。然而，台积电即将推出的 N2 工艺更进一步，将位单元尺寸缩小至约 0.0175 µm²，并实现了约 38 Mb/mm² 的更高密度。

英特尔的 18A 架构依赖于该公司的第二代 RibbonFET 环栅（GAA）晶体管，以及 PowerVia 背面供电网络（BSPDN）。在 RibbonFET 晶体管方面，英特尔采用四条纳米带，支持八个不同的逻辑阈值电压（VT），跨度为 180mV。这种 VT granularity 是通过基于偶极子的功函数调节实现的，这种方法可以在不改变晶体管物理尺寸的情况下精确控制其行为。英特尔论文中的图表显示，尽管 VT 范围如此之广，晶体管仍展现出强大的电气特性，包括陡峭的亚阈值斜率以及在 Id - Vg 和 Id - Vd 曲线上表现良好的驱动电流。

英特尔的 PowerVia 背面供电网络（BSPDN）将供电从芯片顶部金属层迁移至背面，从而在电源和信号线路之间实现物理隔离。该技术解决了诸如后端制程（BEOL）层垂直连接电阻上升等问题，从而提高了晶体管效率并降低了功耗。此外，它还能防止电源干扰导致的信号衰减，并允许更紧密地封装逻辑元件，从而提高整体电路密度。英特尔的 PowerVia 技术将电源输送至晶体管触点，相比台积电的 Super Power Rail（将于 2026 年下半年与 A16 一同推出）而言，其复杂程度略低。除了 BSPDN 技术外，英特尔还采用了其新型高密度金属 - 绝缘体 - 金属（MIM：metal - insulator - metal）电容器，以增强电源稳定性。

英特尔现已披露其背面电源布线的主要优势。首先，PowerVia 将晶体管密度提高 8% 至 10%，这在 18A 工艺使晶体管密度相比 Intel 3 增加 1.3 倍的过程中起到了相当大的作用。其次，得益于改进的金属化技术和超低 k 电介质的使用，18A 工艺的正面金属层的阻容（RC）性能比 Intel 3 提高了约 12%，过孔电阻降低了 24% 至 49%。第三，与 Intel 3 相比，18A 的 PowerVia 将电压下降（Intel 3 的最坏情况）降低了多达 10 倍。最后，BSPDN 简化了芯片设计，因为它简化了信号和电源线的布线。

除了性能和技术方面的优势，Intel 18A 还在可制造性方面表现出色。通过将电力输送移至背面，英特尔无需正面电网，结合直接 EUV 图案化技术，减少了光罩总数，并简化了前端金属工艺。通过使用尺寸经过定制调整的低氮吸收层光罩，英特尔还实现了 M0–M2 金属层的单次 EUV 图案化。底层金属层的简化降低了工艺复杂性，并有助于抵消基于成熟低成本制造技术添加额外背面金属层的成本。因此，整体设计流程变得更加简单、成本更低。

此外，18A PowerVia 的背面金属层设计具有低电阻和高导热性，有助于管理 GAA 晶体管更高的功率密度。此外，载体晶圆键合也经过优化，可通过背面散热，从而解决高性能晶体管带来的散热挑战。最后，PowerVia 与 Foveros 和 EMIB 等先进封装方法兼容，为未来的产品发展提供了更多可能性。

展望未来，英特尔在 18A 工艺之后还有更大的目标。按照英特尔在 Foundry Direct 2025 大会上的介绍，公司即将推出的 14A 工艺节点（计划于 2027 年进行风险生产）。英特尔表示，14A 节点的性能功耗比将比 18A 节点提升 15% 至 20%，这可以通过更高的时钟速度或在相同性能下降低 25% 至 35% 的功耗来实现，具体取决于芯片自身的调校。14A 节点的晶体管密度也比 18A 节点提高了 1.3 倍。英特尔还针对 14A 改进了其 RibbonFET 晶体管，现在称为 “RibbonFET 2”。此外，英特尔还加入了其他新功能来改进节点，例如更宽的阈值电压（Vt）范围，从而实现更广泛的电压 / 频率曲线。英特尔还展示了其全新的 Turbo Cell 技术，这是一种可定制的设计方法，旨在提供最高的 CPU 频率并提升 GPU 中关键速度路径的性能。

英特尔的 18A 工艺是其在半导体领域的一次重要突破，不仅在性能、功耗和晶体管密度方面有显著提升，还在可制造性和设计流程方面进行了优化。而未来的 14A 工艺更是值得期待，有望为英特尔在高性能计算领域带来更大的竞争力。但英特尔能否凭借这些技术重新恢复其品牌的光彩，仍有待市场的检验。