Fertigung mit Intel-18A-Prozess Arm-Chips aus Intel-Schmieden: Intel Foundry Services kooperiert mit Arm

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Intel Foundry Services hat einen wichtigen Schritt für seinen Erfolg als Auftragsfertiger gemacht: Zusammen mit Chipentwickler Arm will man die IP-Designs und die 18A-Fertigungstechnik im Zuge einer Design-Technologie-Ko-Optimierung (DTCO) aufeinander abstimmen. Dies soll optimale Funktionalität und Ausbeute bei der Produktion sicherstellen.

Weltweit baut Intel Chipfabriken. Anders als früher wird der Chipgigant darin aber nicht nur eigene ICs fertigen: Über seine Intel Foundry Services (IFS) stellt er die Produktionskapazitäten auch anderen Chipentwicklern zur Verfügung, wird also verstärkt zum Auftragsfertiger wie TSMC. Das klingt vernünftig, ist allerdings nicht so einfach umsetzbar: Damit aus Designs anderer Prozessor-IP-Entwickler tatsächlich funktionsfähige Chips entstehen können, müssen diese an moderne Fertigungsprozesse wie Intel 18A angepasst werden.

Viele moderne ICs – etwa Mikrocontroller, CPUs, FPGAs, SoCs – setzen heute die weit verbreiteten IP-Cores von Arm ein, zum Beispiel aus der Cortex-Familie. Was liegt also näher, als sicherzustellen, dass diese mit den eigenen Fertigungsprozessen harmonieren? Genau das ist jetzt geschehen: Die IFS und Arm haben eine Mehrgenerationen-Vereinbarung angekündigt, die die Optimierung von Arm-CPU-Kernen und anderen Funktionsblöcken des britischen IP-Entwicklers für die Fertigungstechnik Intel 18A vorsieht, während diese im Gegenzug für die Arm-Designs feingetunt wird. Laut Roadmap will Intel 18A ab 2024 hochfahren.

Zunächst Fokus auf auf mobile SoC-Designs

Nach Angaben der Kooperationspartner wird sich die Zusammenarbeit zunächst auf mobile SoC-Designs konzentrieren. Später sei aber eine potenzielle Ausweitung des Designs auf Anwendungen in den Bereichen Automotive, Internet of Things (IoT), Rechenzentren, Luft- und Raumfahrt und Behörden möglich.

Bis jetzt hätten fabless-Kunden nur begrenzte Möglichkeiten, modernste mobile Technologie zu entwickeln, sagt Intel-Chef Pat Gelsinger. „Intels Zusammenarbeit mit Arm wird die Marktchancen für IFS erweitern und neue Optionen und Ansätze für jedes fabless-Unternehmen eröffnen, das Zugang zu erstklassiger CPU-IP und der Leistung einer offenen System-Foundry mit führender Prozesstechnologie haben möchte.“ Rene Haas, CEO von Arm, ergänzt: „Da die Anforderungen an Rechenleistung und Effizienz immer komplexer werden, muss unsere Branche auf vielen neuen Ebenen innovativ sein. Die Zusammenarbeit von Arm mit Intel ermöglicht es IFS, ein wichtiger Foundry-Partner für unsere Kunden zu sein.“

Abstimmung von Design und Fertigung

Konkret werden IFS und Arm eine sogenannte Design-Technologie-Ko-Optimierung (DTCO) durchführen, bei der Chipdesign und Prozesstechnologien gemeinsam aufeinander abgestimmt werden. Ziel ist es, die bestmögliche Kombination aus Energieeffizienz, Rechenleistung, Flächenverbrauch und Kosten (Power, Performance, Area, Cost; PPAC) für die auf Intels 18A-Prozesstechnologie gefertigen Arm-Cores zu erreichen.

DTCO ist in der Branche üblich und notwendig. So optimiert Arm die eigenen IP-Designs auch gemeinsam mit anderen IC-Auftragsfertigern (Foundries) für deren jeweilige Fertigungstechnik – etwa TSMC, Samsung, Globalfoundries, UMC oder auch das chinesische Unternehmen SMIC. Arm bündelt die Optimierungen in sogenannten „POP IP“: Damit sollen etwa SoC-Entwickler schneller zum Ziel kommen, sprich: zum fertigen Siliziumchip. Außerdem sollen die IP-Kerne zuverlässiger festgelegte Design-Kriterien einhalten, etwa in Bezug auf Taktfrequenz, Leistungsaufnahme, Effizienz oder Fertigungsausbeute.

Damit nicht genug: Arm und IFS wollen auch beim nächsten Schritt, der Systemtechnologie-Ko-Optimierung (STCO), zusammenarbeiten. Ziel dabei ist es, die Plattformen von Anwendungen und Software bis hin zu Gehäuse und Silizium zu optimieren und dafür Intels Open-System-Foundry-Modell zu nutzen. Es soll ein Referenzdesign entstehen, das auch Software und Systemwissen für Foundry-Kunden bereitstellt.

Das steckt hinter Intels 18A-Technologie

Bei 18A setzt Intel neuartige Technologien ein, hervorzuheben sind dabei PowerVia und RibbonFET. PowerVia soll für eine bessere Stromversorgung auf den hochdichten IC-Strukturen sorgen, indem es die Stromversorgung auf die Rückseite des Chips (BEOL, back end of line) verlegt und so eine Entflechtung von Daten- und Stromleitungen ermöglicht.

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RibbonFET hingegen ist Intels Variante der Gate-All-Around-Transistorarchitektur (GAA). Diese auch Nanosheets genannten Feldeffekttransistoren (FET) haben mehrere übereinander gestapelte, leitfähige Kanäle, die von vier Seiten (FinFET: drei Seiten) vom Gate umschlossen sind. Dieser Aufbau sorgt für geringere Leck- bei gleichzeitig höheren Treiberströmen, zudem lassen sich die Kanäle besser steuern. Die Hersteller berichten von deutlich besserer Transistorperformance bei gleichzeitiger Möglichkeit, die Bauteile weiter zu skalieren.

Darüber hinaus kommt bei Intel 18A zudem EUV-Lithografie mit extrem ultravioletter Strahlung und großer Numerischer Apertur (High-NA EUV) zum Einsatz. Die weltweit ersten Anlagen, die High-NA von 0,33 und ab 2025 dann 0,55 beherrschen, hat Monopolist ASML Intel zugesagt. Nur damit ist es überhaupt möglich, derart winzige Strukturen von wenigen Nanometer Ausdehnung auf das Substrat zu „belichten“.

Intel: Mit 18A endlich wieder vor TSMC?

Nachdem Intel im letzten Jahrzehnt bei der Halbleiterfertigung technologisch massiv Boden an TSMC verloren hat, hofft man, mit 18A wieder auf Augenhöhe agieren zu können – vielleicht sogar einen technischen Vorteil gegenüber dem für Ende 2025 angekündigten N2-Prozess von TSMC zu haben. Das ist wichtig, um Großkunden anzulocken – schließlich müssen die extrem teuren Fabs ausgelastet werden, um profitabel wirtschaften zu können.

Erste 18A-Chips will Intel ab 2024 an bislang nicht genauer spezifizierten Standort fertigen. Als sicher gilt, dass die erste reine 18A-Fab 2025 am neuen Intel-Standort Ohio in Betrieb geht. Rund zwei Jahre später soll auch die Fabrik in Magdeburg 18A-Chips produzieren. So sie denn rechtzeitig gebaut wird. (me)

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