Intel 18A-P atteint un gain de 30% en fréquence à 0,5 V sur des puces de production, pour les CPU Diamond Rapids et Nova Lake

Intel dévoile davantage de détails sur sa technologie de fabrication 18A-P lors de Hot Chips. Cette nouvelle étape apporte des gains significatifs en fréquence et en efficacité énergétique, notamment pour les futurs processeurs Diamond Rapids et Nova Lake prévus pour l’année prochaine.

Intel 18A-P : Des gains de fréquence à basse et haute tension

Lors de la conférence Hot Chips, Intel a apporté des précisions sur sa technologie de gravure 18A-P. Ce procédé intègre des transistors GAA (Gate-All-Around) avec une distribution de l’alimentation par l’arrière (BSPD), la technologie Power Boost et un nombre accru de couches métalliques. Sur du silicium x86 déjà en production, il permet d’atteindre une fréquence de fonctionnement 30% plus élevée à basse tension.

• La technologie Intel 18A-P offre plus de 9% de performances supplémentaires à puissance égale, ou réduit la consommation de plus de 18% à performances égales par rapport à l’Intel 18A.
• Elle introduit une ingénierie de contrainte avancée pour améliorer la mobilité et élargit la gamme RibbonFET avec de nouvelles options, dont la technologie Power Boost pour les applications d’IA, mobiles et de centre de données.
• Power Boost utilise une architecture à double contact à très faible résistance pour augmenter le courant de sortie et permettre des fréquences plus élevées à capacité équivalente, tout en restant compatible avec les règles de conception de l’Intel 18A.

En partenariat avec le Futurum Research Group, Intel détaille les avantages du procédé 18A-P. Cette évolution dépasse une simple amélioration incrémentale. L’association des technologies vise spécifiquement à obtenir des gains à la fois à basse tension pour l’efficacité et à haute tension pour les performances maximales.

Ces innovations peuvent tracer la voie pour une roadmap multigénérationnelle de leadership en performances par cœur. La technologie GAA avec alimentation par l’arrière n’en est qu’à sa première étape, avec un gain mesuré de 30% à basse tension et des gains à deux chiffres à haute tension sur du silicium en production. Diamond Rapids et Nova Lake sont sur la bonne voie pour bénéficier des premiers gains de l’18A-P, les interconnexions en ruthénium et la logique empilée étant encore à venir.

La technologie de transistor GAA est conçue pour offrir le plus de bénéfices à basse tension. À l’autre extrémité, la distribution d’alimentation par l’arrière comme PowerVia démontre son potentiel en acheminant l’alimentation depuis l’arrière de la plaquette, évitant ainsi d’encombrer le dessus des transistors.

Le chiffre de 30% provient de mesures directes comparant des cœurs de processeurs gravés en GAA avec alimentation par l’arrière à des équivalents utilisant la technologie FinFET, sur toute la plage de tension de fonctionnement. À 0,5V, les cœurs atteignent une fréquence 30% supérieure. La comparaison est faite à tension égale pour isoler la contribution du procédé plutôt qu’un changement architectural.

Les RibbonFETs enveloppent le canal sur ses quatre côtés, permettant un meilleur contrôle des basses tensions de seuil. Parallèlement, déplacer l’alimentation à l’arrière réduit les pertes par chute de tension IR.

« Le concept d’alimentation par l’arrière en lui-même est une amélioration pour la fourniture de puissance à haute tension. Il aide aussi à basse [tension], mais à haute tension, nous avons des chutes importantes où l’alimentation arrière est très efficace pour réduire nos pertes. … L’association de l’alimentation arrière avec la technologie gate-all-around n’est vraiment pas un hasard. C’est la combinaison de deux éléments complémentaires. Nous avons donc un avantage à la fois haute et basse tension. »

Eric Fetzer, Fellow, Intel

Déjà avec l’Intel 18A, les bénéfices de l’alimentation arrière se traduisaient par une augmentation de fréquence des cœurs, avec un gain de 5% à 1,1V et de 7,5% à 0,95V.

Il a également été révélé que l’Intel 18A-P élargit la gamme RibbonFET avec de nouvelles options optimisées pour différents objectifs de conception. Par exemple, W1 et W1.5 ciblent les dispositifs basse consommation, tandis que W3P avec Power Boost vise les composants haute performance, permettant une opération 10% plus rapide sans augmenter la charge électrique.

Par rapport à l’18A, l’18A-P réduit aussi la résistance externe de 20% pour les transistors NMOS et de 12% pour les PMOS, tout en permettant des courants et des fréquences plus élevés à capacité équivalente.

S’appuyant sur les innovations thermiques de l’Intel 18A, l’18A-P améliore encore la dissipation de la chaleur grâce à des matériaux optimisés et des solutions thermiques avancées pilotées par EDA. La conductivité thermique de l’empilement de liaison est améliorée de 50%, conduisant à une réduction globale de 20 à 40% de la résistance thermique.

Levier	Mécanisme	Gain mesuré	Statut
Alimentation par l’arrière (PowerVia)	Déplace l’alimentation à l’arrière de la plaquette, réduit les chutes de tension et libère l’avant pour le routage des signaux.	Réduction de chute dynamique ~10X ; +5-6% de fréquence, ou plus de 15% de puissance dynamique.	En production sur 18A et 18A-P.
Deux couches métalliques épaisses supplémentaires	Filage à faible résistance près du sommet de l’empilement, réduisant la résistance/capacité et la congestion du routage.	+3% de fréquence à 1,1V et +2% à 0,65V, avec -2% de puissance.	Offre confirmée en 18A-P.
Extraction de la chaleur via l’oxyde de liaison	Matériau de liaison plus fin et plus conducteur évacue la chaleur à haute densité de puissance, convertissant la marge thermique en fréquence soutenue.	Environ 40% d’amélioration entre les générations 18A à très haute puissance.	Livré entre les générations 18A.
Power Boost	Contacts avant plus contacts arrière directs, rendus possibles par PowerVia, déplaçant le courant vers et depuis les rubans (ribbons).	Non isolé séparément ; fait partie des améliorations des dispositifs en 18A-P.	Nouveau en 18A-P.

D’autres contraintes se situent dans les interconnexions, qui à haute tension peuvent entraîner des délais. Intel cible maintenant cette part de marge de manœuvre en ajoutant deux couches métalliques épaisses supplémentaires. Ce filage à faible résistance réduit la résistance/capacité des interconnexions et la congestion du routage.

Intel évalue également des matériaux avancés et des techniques d’emballage pour sa roadmap future :

La roadmap étend la même logique pour fournir des gains de fréquence à haute tension. Les interconnexions en ruthénium par soustraction avec espaces d’air, démontrées dans la recherche VLSI d’Intel, réduisent la capacitance d’environ 35% par rapport au cuivre. Son avantage se cumule à un pas fin. Le cuivre nécessite une couche de coiffage résistive sur les quatre côtés qui ne peut pas rétrécir, et sa résistance devient non linéaire lorsque les joints de grains dominent aux petites dimensions. Le ruthénium reste linéaire à ces pas, il gagne donc exactement là où la résistance des fils limite la fréquence.

Plus loin, Intel recherche la logique empilée en dimension Z, un type de logique au-dessus d’un autre, de sorte que les signaux parcourent un court saut vertical au lieu d’un long chemin planaire. Shamanna lie directement ce travail au passage à l’échelle haute tension. Ces deux leviers de la roadmap visent la même limite d’interconnexion que les quatre leviers de production actuels, tout en promettant de poursuivre les gains génération après génération comme l’a fait la FinFET.

Diamond Rapids sera l’un des premiers produits sur l’18A-P. Selon Intel, les travaux ont commencé une génération plus tôt avec Xeon 6+ « Clearwater Forest », permettant de reporter les avantages en performances par watt des cœurs E vers les cœurs P sur Diamond Rapids.

Avec jusqu’à 256 cœurs, soit le double de la génération précédente, il y a plus de cœurs pour solliciter la bande passante mémoire. Intel a déplacé les entrées/sorties au centre du package pour que chaque cœur ait un accès mémoire uniforme, essentiel pour les charges de travail à l’échelle de l’IA. La marge de fréquence offerte par l’18A-P se traduit par des performances par cœur supérieures.

« C’est ce que vous verrez dans Diamond Rapids. Cela commence par la technologie sous-jacente qui est dans les cœurs. Nous exploitons les avantages de l’18A-P pour augmenter à la fois le nombre de cœurs et leurs performances, puis nous mettons à jour l’architecture pour les alimenter tous. »

Eric Fetzer, Fellow, Intel

En résumé, la technologie GAA avec alimentation par l’arrière constitue la première étape d’Intel vers une roadmap multigénérationnelle de leadership en performances par cœur. Tout commence avec l’18A-P et ses gains de 30% à basse tension et à deux chiffres à haute tension sur du silicium déjà « en production », comme la famille Xeon Diamond Rapids et la famille Core Nova Lake, qui sont sur les rails pour un lancement l’an prochain.