配線を裏返す。チップの“電気の通り道”が表から裏へ移る

チップの進化は、トランジスタを小さくすることだけではありません。それらをつなぐ「配線」をどう通すかも、性能を大きく左右します。トランジスタ構造の進化は「トランジスタはなぜ立体になったのか」で扱いました。本稿は、配線側の革新である裏面給電を見ていきます。

裏面給電とは何か

裏面給電（BSPDN：Back-Side Power Delivery Network）とは、チップに電力を供給する配線を、これまでの表側ではなく、ウェハーの裏側に回す技術です。

チップには、2種類の配線があります。一つは、計算の信号をやり取りする「信号配線」。もう一つは、回路に電力を届ける「電力配線」です。これまでは、この両方がトランジスタのある表側に集中していました。裏面給電は、このうち電力配線を、ウェハーの裏側へ移すという発想の転換です。

なぜ配線の混雑が問題なのか

裏面給電が求められる背景には、配線の深刻な混雑があります。微細化が進み、トランジスタが増えるほど、それらをつなぐ配線も爆発的に増えます。

信号配線と電力配線が、同じ表側でひしめき合うと、さまざまな問題が起きます。信号の通り道が足りずに遅れたり、電力配線が細くなって十分な電力を届けられなかったりします。つまり、せっかくトランジスタを微細化して増やしても、配線が渋滞していては、その性能を生かしきれません。配線の混雑が、進化の足かせになっているのです。

とくに最先端のGAAトランジスタのように密度が上がるほど、この混雑は深刻になります。だからこそ、微細化の効果を引き出すには、配線の問題を解く必要がありました。

裏面給電でなぜ性能が上がるのか

裏面給電で性能が上がるのは、電力の配線を裏側に分けることで、表側を信号配線の専用にできるためです。

両者を別の面に分けると、それぞれにゆとりが生まれます。表側の信号配線は、混雑が解けて余裕ができ、信号がより速く流れます。一方、裏側に移した電力配線は、太く短く作れるため、電力をより効率よく、損失少なく届けられます（Intel／imec／媒体集計）。

結果として、性能の向上と消費電力の低減が同時に得られます。同じトランジスタでも、配線を整理するだけで、チップ全体の性能・電力・面積（まとめてPPAと呼ばれます）が改善するのです。微細化が物理的に難しくなるなか、こうした「配線の工夫」で性能を伸ばす手段の重要性が増しています。プロセスの細かさの意味は「「2nm」はもう長さじゃない。プロセスノードの正体」で扱っています。

裏面給電はいつ実用化するのか

裏面給電は、2nm前後の世代から実用化が始まります。Intelは「PowerVia」という名前で先行して導入し、TSMCも2nm以降の世代で採用する計画です。

ただし、製造は簡単ではありません。ウェハーを薄く削り、その裏側にも配線を作り込むという、高度で繊細な工程が必要です。表と裏の両面に回路を作るため、工程数も増えます。それでも、微細化の限界を補い、性能を伸ばし続ける有力な手段として、各社が競って取り組んでいます。

裏面給電は、チップレットや新材料と並ぶ、最先端ノードの差別化軸の一つです。トランジスタの材料そのものを変える挑戦は「シリコンの限界の先で、原子1個分の薄さの膜がトランジスタを救う」で扱っています。配線・構造・材料——あらゆる面からの工夫が、半導体の進化を支えています。

この記事のまとめ

• 裏面給電（BSPDN）は、チップの電力配線を表側からウェハーの裏側へ回す技術。
• 微細化で配線が増え、信号配線と電力配線が同じ表側で混雑し性能の足かせになっていた。
• 電力配線を裏に分けると、表は信号専用になり、信号は速く、電力は効率よく届けられる。
• 結果として、性能の向上と消費電力の低減が同時に得られる。
• 2nm前後で実用化し、IntelのPowerViaが先行、TSMCも採用する計画。