台積電超級電軌背後供電技術比英特爾技術更複雜，可提高晶片效能

晶圓代工龍頭台積電北美技術論壇發表 A16 節點製程，除了容納更多電晶體，提升運算效能，更降低能耗。更令人關切的，在 A16 晶片導入結合超級電軌 (Super PowerRail) 架構與奈米片電晶體，帶動運算速度更快、更有效率的資料中心處理器發展。

隨著摩爾定律演進，電晶體越來越小，密度越來越高，堆疊層數也越來越多，可能需穿過 10~20 層堆疊才能為下方電晶體提供電源和數據訊號，導致互連線和電源線共存線路層變成了越來越混亂的網路。電子向下傳輸時會 IR 壓降，導致電力損失。

除了電力損失，供電線路占用空間也是問題。晶片電源線路佈線複雜的後段製程，往往占至少 20% 資源，如何解決訊號網路跟供電網路資源排擠問題，使元件微縮，變成晶片設計者主要挑戰。業界開始研究把供電網路轉移到晶片背面的可能性。

台積電 A16 採不同晶片佈線。向電晶體輸送電力的電線將位於電晶體下方而不是上方，稱為背面供電，有利生產更有效率的晶片。

最佳化處理器的方法之一是緩解 IR 壓降。這現象會降低晶片電晶體接收的電壓，降低性能。A16 電線不太容易出現電壓下降，同樣英特爾也在 Intel 20A 加入背面供電，不僅簡化電力分配，還允許晶片電路更緊密封裝，目標是處理器放入更多電晶體以提高運算能力。

電晶體由四個主要元件組成，源極、汲極、通道和閘極。源極是電流流入電晶體的入口點，汲極是出口，通道和閘極依序負責協調電子的運動。台積電 A16 電力傳輸線直接連接源極和汲極，比其他背面供電如英特爾更複雜。但台積電表示，決定更複雜設計是因有助提高晶片效能。

台積電使用超級電軌的 A16 將較 N2P 相同 Vdd (工作電壓) 下，運算速度增加 8%~10%，或相同運算速度下，功耗降低 15%~20%，晶片密度提升高達 1.10 倍，支援資料中心產品。

A16 還導入奈米片電晶體 (NanoFlex)。奈米片電晶體為晶片設計人員提供靈活 N2 標準元件，是晶片設計的基本構建模組，高度較低元件能節省面積並有更高功耗效率，高度較高元件效能最大化。相同設計區塊最佳化高低元件組合，調整應用功耗、效能及面積取得最佳平衡，將多種晶體管類型與不同功率效率、速度和尺寸配置相結合的能力。靈活性可使客戶更緊密將台積電晶片與自家要求結合，達到最大效能發揮。

台積電 NanoFlex 預定 2 奈米首次應用，2025 年量產。A16 預定 2026 下半年上線。

(首圖來源：台積電)