5分钟IN科普 | 从“披萨”到“三明治”，一起来给电源线“搬家”

我们日常使用的手机和电脑，里面的芯片通常由几百亿个晶体管组成。如果我们把它比作一座超大型的城市，那么晶体管就是里面的居民。

市民需要电、水和燃气才能生存，电源线就好比城市里的输电线、自来水管和燃气管道，保障晶体管的基本运作。晶体管本身并不产生能量，而是通过电源线将外部能量引入电路，源极与漏极之间在电源电压的作用下形成电势差，沟道被建立，电流才得以通过晶体管流动。

信号线则好比光纤和电话线，让居民们能够互相交流，也就是负责在晶体管之间传递指令和数据。通过调节栅极电压，晶体管可以在“开”和“关”之间切换。一个晶体管的开关状态，会改变电路中某个节点的电压水平，这个电压通过信号线传递到下一个晶体管的栅极，控制它的工作状态。正是这种电压的高低变化，使得“0”和“1”的二进制信息能够在芯片内部不断传递。

从专业视角看，这个“城市比喻”虽形象，但实际芯片设计还需考虑电源分配网络（PDN）、信号完整性（SI）、互连延迟等复杂因素，需要协同设计以确保系统在高速下的稳定运行。

长期以来，芯片制造普遍采用正面供电技术，信号线和电源线都位于晶体管上方。这好比制作披萨，从硅衬底开始构建晶体管，再在其上逐层堆叠金属层用于布线和供电。 在早期制程节点中，晶体管尺寸较大，布线空间相对充裕。然而，随着制程持续微缩至纳米级别，挑战日益凸显：

● 布线拥塞：晶体管上方空间日益狭窄，电源线与信号线相互竞争有限资源。

● 性能瓶颈：电源线变细导致电阻增加，电流经由上方多层金属层到达晶体管时，电压降（IR Drop）加剧，引发功耗、发热问题，并影响晶体管速度与信号质量。

正面供电

为应对上述挑战，英特尔率先推出PowerVia背面供电技术。它将电源线“搬迁”至晶体管背面，使晶体管层如同三明治的夹心，位于电源线与（正面的）信号线之间。 实现这一结构的关键步骤包括：在硅衬底上制造晶体管后，将其翻转、背面减薄并抛光，然后刻蚀出硅通孔（TSV） 连接背面的电源线。之后，芯片被翻回正面，连接正面的信号线。在PowerVia技术中，电流从背面电源线经TSV到达晶体管上方的金属层，再供给晶体管。

● 提升能效：供电路径大幅缩短，显著改善了电压降，既提升了性能，也降低了能耗。

● 节约空间：有效利用晶体管背面空间，缓解了正面布线拥塞，有助于集成更多晶体管。

● 改善信号完整性：电源线与信号线分离，减少了相互干扰，使信号传输更稳定。

PowerVia

硅通孔

展望未来，业界正在探索如PowerDirect般的直接背面触点技术。与PowerVia相比，它旨在通过背面触点将电源线更直接地连接到晶体管的源极或漏极，进一步缩短供电路径，降低电阻，持续推动芯片性能与能效的边界。

从“披萨”到“三明治”，这场给电源线“搬家”的革命，是芯片制造工艺的一次精巧升级，是持续释放算力潜能的智慧体现。未来，随着技术的进步，期待我们手中的智能设备变得更强大、更高效。