上個月，IFS（Intel Foundry Services）和Arm達成協議，計劃優化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即將推出的工藝節點和該公司的先進封裝技術進行優化。

? IFS和Arm將共同優化Arm的IP，使用DTCO方式為Intel的18A工藝優化性能、功耗和成本。這次合作的關鍵成果之一將是開發一個“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確認工作已經開始。 ? Intel的一位發言人表示，“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的一位發言人解釋道，“我們正在構建定制IP，以確保基于Arm的SoC設計的最佳功耗、性能和面積。通過這次公告，我們為我們的IP客戶提供了基于Arm的SoC設計的另一個可選項?！??

STCO的層次結構。設備優化、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、數據中心（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已經被美國國防部選中，所以或許對于Arm的授權公司來說，用優化的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將能夠生產基于優化的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。 ? More Than Moore的首席分析師Ian Cutress說：“Arm需要確保其內核在盡可能多的工藝節點上得到驗證，但對于Intel來說，這給他們提供了一個面向許多Arm生態系統玩家的賣點。

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的聯席主席David Kanter說：“IFS希望盡可能多地擁有IP，以便客戶能夠構建產品。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近年來在數據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點可以提供，且基板尺寸小（~100-150mm2），相比大的，700mm2的數據中心芯片對產量提升更有利。汽車領域的芯片并不總是需要領先的節點，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的數值孔徑，但最終，該公司透露，在2024年下半年，它可以使用現有的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，借助優化的標準Arm IP，這種工藝對SoC開發人員來說會非常有吸引力。 ? Kanter指出，“支持Arm核的目標是，這些內核被廣泛用于各種產品，并成為許多SoC的‘標準構建模塊’”。
? 雖然這次公告內容非?；\統，但這次合作承諾為Arm的授權者提供很多可能性，包括已經宣布計劃使用Intel 18A制程的Qualcomm，但未透露是為了哪類的產品。MTK是另一家注冊使用IFS產能的主要移動SoC供應商，但它尚未對Intel的1.8nm節點表現出興趣。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，我還是持懷疑態度。MTK已經表達了興趣，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，可能是解決中美貿易難題的一種方式。” ? Qualcomm已經在其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品中采用高度定制的Nuvia開發的Arm微架構。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核。在移動領域中，MTK傾向于在他們的產品線中使用標準的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（從汽車到數據中心的各種應用）都可以從優化為Intel 18A節點的標準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性的數據中心應用。 ? McGregor補充說：“他們可以很快地擴展它。你必須記住，Intel已經采用Arm授權很多年了。Intel熟悉這種架構。唯一的限制是需求。如果機會出現，我相信我們會看到這些產品在Intel運行，盡管他們會與其他Intel產品競爭。” ?

DTCO遇見GAA和背面PDN

談到晶圓廠，DTCO方法已經存在一段時間，所以IFS絕對不是首個引入DTCO的。實際上，大部分Intel自家的CPU內核都是針對特定生產節點構建的，這是在頻率和功耗方面展現出DTCO優勢的良好示例，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晶體管架構堆疊了四個納米帶，以實現與多個鰭片相同的驅動電流，但占用的空間較小。（來源：Intel）

與平面晶體管和FinFET相比，GAAFET提供了幾個關鍵優勢，如顯著減小的漏電流，因為柵極環繞著通道的四個側面。

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（寬度減小）和芯片面積的微調。

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可能會在功耗和性能方面帶來額外的好處。與此同時，調整標準單元，開發為移動定制的庫并在Intel的18A上實現Arm IP，應該能在晶體管級別進一步優化性能、功耗、面積和成本。但IFS和Arm尚未確認與晶體管設計優化相關的任何具體細節。

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，向更薄的節點供電已經成為一種挑戰。背面PDN（PowerVia）將電源線從數據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化信號布線并減少延遲。這使我們可以根據產品需求，優化性能、功耗或面積?！?/p>

供電通常會因芯片設計的不同而有所差異。

例如，用戶端和數據中心處理器的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通常被優化以應對突發行為，因為它們通常保持處于非活動狀態或工作負載較低。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）從非活動狀態提升到最大速度，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優化PowerVia PDN可能會帶來許多性能和功耗方面的優勢。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，因此我預計優化Arm IP的Intel工藝中會包括PowerVia。根據我看到的分析，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%）。”

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。”

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

一個multi-daie用戶端應用系統封裝的例子（來源：Intel）

IFS和Arm在言論中提到的另一個細節是意圖優化目標平臺“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，但公司還沒有準備分享任何其他細節。

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節點，而解耦設計則暗示了使用幾個節點來優化成本。此外，分析師們指出，現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生。主要的爭議點是成本，芯片封裝仍然非常昂貴。”

Kanter表示，移動設備中的先進封裝將取決于成本：“現在，大多數先進的封裝技術實施起來相對昂貴。看看3D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，“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勢。至少在先進封裝成本下降或多芯片的經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。移動領域的成本結構需要評估，重要的是，RTL需要進行優化，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工藝的所有內容。

他說：“我認為STCO包含的內容不僅僅是封裝。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?！?/p>

計算系統的系統技術共同優化（來源：英特爾）

廣泛的地理布局

Intel預計IFS會擁有的一個優勢是，它將在美國和歐洲都有18A的生產能力，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勢，所以在美國和歐洲制造18A節點的芯片是IFS將擁有的無可爭議的王牌。

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

編輯：黃飛

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