Black Baron

При обсуждении современных техпроцессов чаще всего внимание сосредоточено на транзисторах — именно они ассоциируются с ростом производительности и снижением энергопотребления. Однако микросхема — это сложная система, где важна каждая составляющая. Одним из ключевых, но менее заметных элементов остаются конденсаторы, отвечающие за стабильность питания. С ростом сложности и энергопотребления ИИ- и HPC-чипов их роль становится критически важной. Компания Intel представила новое поколение интегрированных конденсаторов, способных решить одну из главных проблем будущих процессоров — надёжное и стабильное электропитание.

Почему стабильность питания стала проблемой

Современные процессоры и ускорители искусственного интеллекта работают в условиях резких и непредсказуемых нагрузок. В отдельные моменты миллиарды транзисторов могут переключаться одновременно, вызывая скачкообразный рост потребления тока. Это приводит к просадкам напряжения, появлению электрических шумов и снижению общей эффективности чипа.

Для компенсации таких эффектов в микросхемах используются конденсаторы развязки. Они выполняют роль локальных накопителей заряда, мгновенно отдавая энергию при пиковых нагрузках и стабилизируя питание. Однако по мере перехода к новым техпроцессам традиционные решения перестают справляться с возросшими требованиями.

Новое поколение MIM-конденсаторов

Подразделение Intel Foundry, отвечающее за контрактное производство чипов, представило усовершенствованные MIM-конденсаторы (металл–изолятор–металл). В отличие от предыдущих реализаций, новые решения демонстрируют почти трёхкратный рост плотности ёмкости без существенного усложнения производственного процесса.

В зависимости от используемого материала плотность ёмкости достигает значений порядка 60–98 фФ/мкм², что значительно превосходит текущие промышленные показатели. При этом уровень утечек остаётся крайне низким — на несколько порядков ниже общепринятых отраслевых требований.

Новые материалы и конструкция

В рамках исследований, представленных на конференции IEDM 2025, Intel выделила три перспективных диэлектрических материала для MIM-структур:

• HZO (оксид гафния-циркония) — сбалансированное решение с высокой надёжностью и простой интеграцией;
• TiO₂ (диоксид титана) — материал с повышенной ёмкостью и хорошей устойчивостью к высоким напряжениям;
• STO (титанат стронция) — вариант с максимальной плотностью ёмкости для наиболее требовательных сценариев.

Конденсаторы формируются в так называемых траншейных структурах на обратной стороне кристалла. Конструктивно они представляют собой цилиндрическую форму с внутренним электродом, между которым и внешним слоем размещён диэлектрик. Однослойная архитектура упрощает производство и делает технологию совместимой с существующими техпроцессами. В настоящее время Intel использует собственную реализацию под названием Omni MIM.

Надёжность и практическая польза

Новые диэлектрические материалы демонстрируют высокую термическую стабильность — конденсаторы сохраняют рабочие параметры при температуре до 90 °C на протяжении сотен тысяч секунд. Моделирование также показывает возможность более чем десятилетней непрерывной работы без электрического пробоя, даже при повышенных рабочих напряжениях.

Для серверных процессоров, мобильных устройств и ИИ-ускорителей это означает рост показателя «производительность на ватт», а также повышение общей надёжности чипов. В перспективе такие решения могут быть интересны и энтузиастам, работающим с разгоном оборудования.

Разработка Intel в области интегрированных MIM-конденсаторов показывает, что эволюция микросхем не ограничивается одними лишь транзисторами. В эпоху искусственного интеллекта стабильность питания становится не менее важным фактором, чем плотность логических элементов. Использование новых сегнетоэлектрических материалов позволяет существенно увеличить ёмкость конденсаторов, сохранив совместимость с существующими техпроцессами.

На следующем этапе Intel Foundry планирует адаптировать эти решения для массового производства и внедрить их в будущие технологические нормы. Это может стать важным шагом в создании более энергоэффективных и устойчивых процессоров нового поколения.

Сравнение современных MIM-конденсаторов и новых MIM-структур Intel

Комментарий к таблице

• Плотность ёмкости: Основным преимуществом новых MIM-конденсаторов Intel является значительно более высокая плотность хранения заряда. Это позволяет локальным узлам питания более эффективно реагировать на пиковые нагрузки в процессорах, где скорость реакции критична.
• Материалы диэлектрика: Традиционные MIM-конденсаторы обычно используют стандартные оксиды, тогда как Intel внедряет сегнетоэлектрические материалы, такие как ферроэлектрический оксид HZO, диоксид титана (TiO₂) и титанат стронция (STO). Эти материалы обеспечивают улучшенные электрические характеристики.
• Тепловая стабильность и надежность: Новые структуры демонстрируют высокую устойчивость к нагреву и длительной эксплуатации — важные параметры для серверных чипов и ускорителей ИИ.
• Интеграция: Одним из ключевых преимуществ новых решений является возможность интегрировать их в действующие технологические линии без существенных изменений процесса, что уменьшает затраты на производство.