上個月，IFS（Intel Foundry Services）和Arm達成協(xié)議，計劃優(yōu)化Arm的IP，以適應Intel即將推出的18A工藝（1.8nm）。這次合作將主要關注移動領域的設計，并將進行DTCO（design technology co-optimization）和STCO（system technology co-optimization），這意味著Arm的IP將為Intel即將推出的工藝節(jié)點和該公司的先進封裝技術進行優(yōu)化。

? IFS和Arm將共同優(yōu)化Arm的IP，使用DTCO方式為Intel的18A工藝優(yōu)化性能、功耗和成本。這次合作的關鍵成果之一將是開發(fā)一個“基于Arm的移動SoC、芯片技術演示，以及芯片設計參考平臺”，這是一個相當廣泛的定義。 ? 與此同時，Intel和Arm確認工作已經(jīng)開始。 ? Intel的一位發(fā)言人表示，“這項工作將驗證Arm SoC設計在Intel 18A工藝中的性能、功耗和面積利用率。” ? Arm的一位發(fā)言人解釋道，“我們正在構(gòu)建定制IP，以確?；贏rm的SoC設計的最佳功耗、性能和面積。通過這次公告，我們?yōu)槲覀兊腎P客戶提供了基于Arm的SoC設計的另一個可選項?！??

STCO的層次結(jié)構(gòu)。設備優(yōu)化、DTCO、3DIC和STCO之間的差異。 ?

尋找新客戶

雖然最初幾代合作將主要關注移動SoC項目和部分Arm IP（例如，Cortex-A CPU IP，Mali GPU IP等），但兩家公司表示，合作范圍可能會擴展到汽車、航空航天、數(shù)據(jù)中心（例如，Neoverse）、IoT和政府應用。雖然“政府應用”是一個相當模糊的詞，但要記住，Intel的18A已經(jīng)被美國國防部選中，所以或許對于Arm的授權(quán)公司來說，用優(yōu)化的Arm IP來滿足美軍的需求會稍微容易一些。 ? 與此同時，IFS-Arm公告重要性的普遍性不容低估，因為它確保IFS將能夠生產(chǎn)基于優(yōu)化的Arm IP的SoC，就像競爭對手TSMC和Samsung代工廠一樣。 ? 另一方面，Arm需要確保其內(nèi)核可以通過盡可能多的芯片公司在盡可能多的工藝制程上生產(chǎn)。 ? More Than Moore的首席分析師Ian Cutress說：“Arm需要確保其內(nèi)核在盡可能多的工藝節(jié)點上得到驗證，但對于Intel來說，這給他們提供了一個面向許多Arm生態(tài)系統(tǒng)玩家的賣點。

TSMC在這方面做得就非常好。Intel需要可以可以按數(shù)量級增長的客戶群，而對于Arm來說，這只是‘另一步’?！?? Real World Tech的總裁兼MLPerf的聯(lián)席主席David Kanter說：“IFS希望盡可能多地擁有IP，以便客戶能夠構(gòu)建產(chǎn)品。在IFS上可用的IP越多，獲客的阻力就越小?！?? Tirias Research的首席分析師Jim McGregor表示：“這有助于將IFS與行業(yè)的需求對齊，而這個焦點是性能與能效。而且這樣會讓代工市場更加充分競爭?！?? 目前，合作的范圍僅限于移動SoC，可能多少有些困惑，因為Intel近年來在數(shù)據(jù)中心以及大芯片上都投入了較多關注。但這對Arm和IFS來說都是非常有意義的，因為智能手機SoC是Arm最大的收入來源之一，也是IFS的一個好機會。 ? Cutress說：“現(xiàn)在，因為Softbank和IPO，Arm正在限制它正在進行的項目，所以它正在挑選和選擇最有利的機會。移動SoC是一個好的目標，因為IFS實際上只有高性能節(jié)點可以提供，且基板尺寸?。▇100-150mm2），相比大的，700mm2的數(shù)據(jù)中心芯片對產(chǎn)量提升更有利。汽車領域的芯片并不總是需要領先的節(jié)點，所以移動SoC是很好的選擇。如果我們看TSMC，其收入的34%來自智能手機，44%來自HPC，所以IFS-Arm追求移動IP的驗證是有意義的?！??

不僅僅是移動領域

Intel認為其18A工藝在性能、功耗和晶體管密度方面將具有無可爭議的領先優(yōu)勢。該公司最初計劃其18A工藝將是第一個使用ASML的High-NA Twinscan EXE EUV掃描器的技術，預計在2025年的某個時候達到0.55的數(shù)值孔徑，但最終，該公司透露，在2024年下半年，它可以使用現(xiàn)有的0.33-NA EUV工具進行雙模曝光，而不是使用下一代設備。同時，為了降低EUV雙模曝光與優(yōu)化20A和18A的成本，該公司將采用Applied Materials的Centura Sculpta塑形工具。

? 如果Intel能夠用其18A制程提供最高的性能效率和晶體管密度，并且能提供良好的財務條件，fabless將傾向于使用它。此外，借助優(yōu)化的標準Arm IP，這種工藝對SoC開發(fā)人員來說會非常有吸引力。 ? Kanter指出，“支持Arm核的目標是，這些內(nèi)核被廣泛用于各種產(chǎn)品，并成為許多SoC的‘標準構(gòu)建模塊’”。
? 雖然這次公告內(nèi)容非?；\統(tǒng)，但這次合作承諾為Arm的授權(quán)者提供很多可能性，包括已經(jīng)宣布計劃使用Intel 18A制程的Qualcomm，但未透露是為了哪類的產(chǎn)品。MTK是另一家注冊使用IFS產(chǎn)能的主要移動SoC供應商，但它尚未對Intel的1.8nm節(jié)點表現(xiàn)出興趣。分析師表示，IFS-Arm公告的其他不太明顯的受益者可能還有其他公司。

? Cutress表示：“Qualcomm已經(jīng)表達了興趣，但是在一家公司開始付款并投資設計團隊之前，我還是持懷疑態(tài)度。MTK已經(jīng)表達了興趣，但迄今為止，其它移動SoC供應商的興趣還不大。其他幾個主要的玩家，Apple在Intel成為領導者之前不可能；Samsung，可能有點奇怪，但不是不可能；Unisoc，可能是解決中美貿(mào)易難題的一種方式?！?? Qualcomm已經(jīng)在其Snapdragon SoC中使用了定制的基于Arm的大核，未來幾年，該公司計劃在一系列產(chǎn)品中采用高度定制的Nuvia開發(fā)的Arm微架構(gòu)。因此，它不太可能對標準的高性能Arm Cortex感興趣，但它仍然可以利用為Intel的18A優(yōu)化的Arm技術。 ? Kanter說：“以Qualcomm為代表，許多移動SoC都喜歡在手機或服務器中使用較小的內(nèi)核。在移動領域中，MTK傾向于在他們的產(chǎn)品線中使用標準的Arm核。” ? Tirias Research的McGregor說：“Qualcomm是顯而易見的受益者，但Apple也可能從中受益。MTK與Intel在modem領域有合作，也可能從中受益。Google可能從中受益。其他考慮自制芯片的手機OEM也可能從中受益。” ?

實際上，有很多非移動應用（從汽車到數(shù)據(jù)中心的各種應用）都可以從優(yōu)化為Intel 18A節(jié)點的標準Arm核中受益。 ? Cutress說：“那里也有很多你可能沒有想到的像移動SoC一樣的ASIC：IPMI芯片、ACAPs Xilinx/硬化的FPGA，控制器等。對汽車信息娛樂芯片的要求并不那么高?！?? Kanter說：“Arm IP在汽車信息娛樂中可能很有用。只需看看GM對安卓的采用情況。Android在Arm上運行得最好。” ? McGregor說：“移動細分市場只是冰山一角。CE和嵌入式市場的Arm組件更多?！?? 實際上，他說，IFS和Arm的合作可能會迅速擴展到更具挑戰(zhàn)性的數(shù)據(jù)中心應用。 ? McGregor補充說：“他們可以很快地擴展它。你必須記住，Intel已經(jīng)采用Arm授權(quán)很多年了。Intel熟悉這種架構(gòu)。唯一的限制是需求。如果機會出現(xiàn)，我相信我們會看到這些產(chǎn)品在Intel運行，盡管他們會與其他Intel產(chǎn)品競爭。” ?

DTCO遇見GAA和背面PDN

談到晶圓廠，DTCO方法已經(jīng)存在一段時間，所以IFS絕對不是首個引入DTCO的。實際上，大部分Intel自家的CPU內(nèi)核都是針對特定生產(chǎn)節(jié)點構(gòu)建的，這是在頻率和功耗方面展現(xiàn)出DTCO優(yōu)勢的良好示例，盡管是在IDM中，所以Intel對此方法一點也不陌生。

Intel的18A制程將是公司第二個（繼20A之后）采用GAA晶體管的節(jié)點，Intel稱其為RibbonFET，以及采用PDN（power delivery network），被Intel命名為PowerVia。Intel的20A和18A是兩種既為Intel自身也為IFS客戶開發(fā)的制程。此外，兩者都為DTCO提供了豐富的選項。

Intel的RibbonFET GAA晶體管架構(gòu)堆疊了四個納米帶，以實現(xiàn)與多個鰭片相同的驅(qū)動電流，但占用的空間較小。（來源：Intel）

與平面晶體管和FinFET相比，GAAFET提供了幾個關鍵優(yōu)勢，如顯著減小的漏電流，因為柵極環(huán)繞著通道的四個側(cè)面。

此外，在GAA晶體管中，可以改變特定工藝或甚至特定芯片設計中納米片的寬度，從而進行性能（寬度增加）、能耗（寬度減?。┖托酒娣e的微調(diào)。

對于移動SoC設計，GAA晶體管的漏電流減少是無可爭議的好處。為移動設計進一步定制晶體管架構(gòu)可能會在功耗和性能方面帶來額外的好處。與此同時，調(diào)整標準單元，開發(fā)為移動定制的庫并在Intel的18A上實現(xiàn)Arm IP，應該能在晶體管級別進一步優(yōu)化性能、功耗、面積和成本。但IFS和Arm尚未確認與晶體管設計優(yōu)化相關的任何具體細節(jié)。

由于接觸電阻增加和IR下降，導致能量損失、性能降低和高溫，向更薄的節(jié)點供電已經(jīng)成為一種挑戰(zhàn)。背面PDN（PowerVia）將電源線從數(shù)據(jù)I/O線路移開，簡化了連接性并使PDN更加成熟。

Intel的背面PDN，PowerVia，它將電源線和信號線分開并縮小標準單元的大小。電源線放在晶體管層下方，位于晶片的背面。（來源：Intel）

Intel的發(fā)言人說：“總的來說，通過消除對晶圓正面進行電源布線的需求，我們可以騰出更多的資源來優(yōu)化信號布線并減少延遲。這使我們可以根據(jù)產(chǎn)品需求，優(yōu)化性能、功耗或面積。”

供電通常會因芯片設計的不同而有所差異。

例如，用戶端和數(shù)據(jù)中心處理器的CPU都是為滿足不同的性能要求而定制的，因此，它們需要不同的PDN。服務器處理器能夠穩(wěn)定地處理重型工作負載，并在需求達到峰值時可以短暫提高其時鐘速度。

另一方面，用戶端CPU通常被優(yōu)化以應對突發(fā)行為，因為它們通常保持處于非活動狀態(tài)或工作負載較低。但當啟動資源密集型工作負載時，這些處理器需要快速（在微秒內(nèi)）從非活動狀態(tài)提升到最大速度，有時甚至超過最大速度，以確保用戶體驗的順暢。智能手機SoC設計針對更快速地響應需求，因此它們需要自己的PDN設計。

與Intel可能針對更廣泛應用而設計的標準PowerVia PDN相比，針對智能手機SoC的Arm IP優(yōu)化PowerVia PDN可能會帶來許多性能和功耗方面的優(yōu)勢。當然，IFS和Arm并未確認計劃在當前的合作中為標準移動Arm IP定制RibbonFET和PowerVia。

Kanter解釋說：“我預計Intel的GAA性能會超過其他代工廠的選項，部分原因在于采用了PowerVia（以及晶體管實施的差異）。因此，這可能會轉(zhuǎn)化為更好的頻率或者在相似頻率下更低的功耗。Intel的PowerVia是20A和18A的一部分，因此我預計優(yōu)化Arm IP的Intel工藝中會包括PowerVia。根據(jù)我看到的分析，PowerVia似乎很可能通過更好的供電提供小幅度的性能提升（比如說，3%到7%）和相當可觀的面積減?。?5%到20%）?！?/p>

Cutress附和說：“盡管IFS和Arm之間的合作將為計劃采用Arm的移動IP的客戶帶來許多好處，但IFS愿意與每一個足夠大的客戶密切合作以提高PPA?！?/p>

他補充說：“在Arm中沒有特定的東西意味著Intel的GAA會有好處；晶體管和架構(gòu)是獨立的。我認為IFS會盡其所能給予其主要客戶額外的好處，特別是如果是大玩家（Apple、Qualcomm），不論是芯片還是架構(gòu)?！?/p>

McGregor說他沒有看到Arm相比其他架構(gòu)有任何特定的好處：“半導體/晶體管設計的進步將對整個行業(yè)有益?！?/p>

一個multi-daie用戶端應用系統(tǒng)封裝的例子（來源：Intel）

IFS和Arm在言論中提到的另一個細節(jié)是意圖優(yōu)化目標平臺“從應用和軟件，到封裝和芯片”，基本上意味著STCO。盡管Intel承認EMIB（2.5D）和Foveros（3D）封裝技術都在考慮范圍內(nèi)，但公司還沒有準備分享任何其他細節(jié)。

Intel說：“合作會考慮到2.5D和3D封裝技術?！?/p>

移動領域的SoC一直都是高度集成的，引入解耦設計將標志著行業(yè)的里程碑。盡管目前尚未明確Intel和Arm在這里打算做什么，因為聲明的框架目前僅限于Intel的18A節(jié)點，而解耦設計則暗示了使用幾個節(jié)點來優(yōu)化成本。此外，分析師們指出，現(xiàn)在先進封裝的成本非常高。

Cutress表示，過去兩年，Qualcomm在IEEE會議上介紹了關于芯片策略和封裝的主題，并補充說，“如果不是在智能手機上，那么在筆記本上肯定會發(fā)生。主要的爭議點是成本，芯片封裝仍然非常昂貴?！?/p>

Kanter表示，移動設備中的先進封裝將取決于成本：“現(xiàn)在，大多數(shù)先進的封裝技術實施起來相對昂貴?？纯?D堆疊的成本增量。一旦好處變得更大，或者我們能夠通過更成熟的工藝降低成本，這可能會促成更先進的封裝?！?/p>

McGregor表示，解耦的移動SoC設計不會在近期內(nèi)，“你必須記住，移動設備有尺寸、功率和成本的限制。因此，擁有單一芯片仍然有優(yōu)勢。至少在先進封裝成本下降或多芯片的經(jīng)濟效益變化之前不會?！?/p>

實際上，Arm也表示，雖然移動SoC的解耦是可能的，但必須非常謹慎地評估。“有許多因素在起作用。移動領域的成本結(jié)構(gòu)需要評估，重要的是，RTL需要進行優(yōu)化，以確?？梢猿浞掷媒怦詈头庋b技術?！?/p>

但Kanter表示，STCO可能不僅限于封裝，還涉及從熱管理到生產(chǎn)工藝的所有內(nèi)容。

他說：“我認為STCO包含的內(nèi)容不僅僅是封裝。其中一部分是將熱管理、供電和封裝集成到整體制造工藝中。”

計算系統(tǒng)的系統(tǒng)技術共同優(yōu)化（來源：英特爾）

廣泛的地理布局

Intel預計IFS會擁有的一個優(yōu)勢是，它將在美國和歐洲都有18A的生產(chǎn)能力，這將使IFS的客戶將供應鏈多樣化。

因為目前的合作僅限于Arm的移動IP，而領先的移動SoC開發(fā)商位于美國（Apple，Qualcomm）、臺灣（MTK）和中國（Unisoc），考慮到實際設備仍將在中國、印度或東南亞國家組裝，所以還不清楚他們是否認為在美國或歐洲生產(chǎn)他們的SoC很重要。

然而，Kanter和McGregor表示，考慮到目前的地緣政治緊張局勢，多元化的供應鏈本身可能是一個優(yōu)勢，所以在美國和歐洲制造18A節(jié)點的芯片是IFS將擁有的無可爭議的王牌。

McGregor說：“在美國和歐洲都有生產(chǎn)能力是一個優(yōu)勢，特別是對軍事/政府應用而言?！?/p>

編輯：黃飛

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