AI/HPCの性能を左右する電源供給網の安定化（前編）：福田昭のデバイス通信（514） TSMCが解説する最新のパッケージング技術（11）（1/2 ページ）

「IEDM 2025」におけるTSMCの講演内容を紹介するシリーズ。今回は5番目の項目「（5）Power delivery efficiency（電源供給の効率）」を前後編の2回に分けて解説する。

[福田昭，EE Times Japan]

5番目のテーマは電源供給の効率化

　2025年12月に開催された国際学会IEDMのショートコース（技術解説）で、シリコンファウンドリー最大手のTSMCが最新のパッケージング技術を説明した。講演のタイトルは「Advanced Packaging and Chiplet Technologies for AI and HPC Applications（AIおよびHPCに向けた先端パッケージング技術と先端チップレット技術）」、講演者はAdvanced Package Integration Division R&DのディレクターをつとめるJames Chen氏である。大変に参考となる内容だったので、その一部をシリーズでご紹介している。ただし講演内容だけでは説明が不十分なところがあるので、本シリーズでは読者の理解を助けるために、講演内容を筆者が適宜、補足してある。あらかじめご了承されたい。

講演「Advanced Packaging and Chiplet Technologies for AI and HPC Applications（AIおよびHPCに向けた先端パッケージング技術と先端チップレット技術）」のアウトライン［クリックで拡大］ 出所：TSMC（IEDM 2025のショートコース（番号SC1-5）で公表された講演スライドから）

　タイトルスライドの次に示されたアウトラインは、「AI and HPC Market Outlook（AIとHPCの市場を展望）」「Advanced Package Technology Evolutions（先進パッケージ技術の進化）」「System-Technology Co-Optimization (STCO)（システムと製造の協調最適化）」「Emerging Advanced package technology（次世代の先進パッケージ技術）」「Summary（まとめ）」となっていた。

　本シリーズの第5回からは、アウトラインの第3項「System-Technology Co-Optimization (STCO)（システム・製造協調最適化）」に相当する部分の説明に入った。先進パッケージ「CoWoS-L（LSI+RDL interposer）」を例に、STCOで考慮すべき5つの項目を順に説明している。

　前回は4番目の項目「（4）Energy efficient of scale-up networking（ネットワークの大規模化おける消費エネルギー（転送データ当たり）の効率）」を概説した。今回は5番目の項目「（5）Power delivery efficiency（電源供給の効率）」を前後編の2回に分けてご紹介する。

STCO（システムと製造の協調最適化）で考慮すべき事柄。先進パッケージ「CoWoS-L（LSI+RDL interposer）」の例［クリックで拡大］ 出所：TSMC（IEDM 2025のショートコース（番号SC1-5）で公表された講演スライドから）

STCO（システムと製造の協調最適化）で考慮すべき5つの項目。TSMCの講演スライドに記述された項目を、筆者が和訳したもの［クリックで拡大］

抵抗損、エレクトロマイグレーション、瞬低が安定な電源供給を阻害

　先進パッケージ「CoWoS-L」のGPU／CPUモジュールを動かすための電源は、先進パッケージを搭載したプリント回路基板の電源回路（定電圧回路（VR：Voltage Regulator））から供給される。AI／HPC向けのGPU／CPUモジュールを内蔵する先進パッケージは近年、電力密度が大きく増加しており、いくつかの課題を生じている。

　電源回路（VR）からパッケージ基板までは、プリント回路基板の銅配線を通じて直流電力（電圧×電流）を供給する。電源電圧は既に限界近くまで下がっていることから、GPU／CPUモジュールの電力増大に応えるためには、電流（I）を増やすことになる。このため、プリント回路基板の電力損失（抵抗損（配線抵抗R×I×I））が増加する。同様の損失は、パッケージ内部でも発生する。

　また電流密度の高まりにより、BGAパッケージの入出力端子（ボール）ではエレクトロマイグレーション（EM：ElectroMigration）が無視できなくなる。

　それからGPU／CPUの負荷変動によって電源電圧の瞬時的な低下（瞬低）が発生する。瞬低を緩和するためには、GPU／CPUの動作速度が制限される恐れが出てくる。

GPU／CPUモジュールの先進パッケージに電源を供給するときの課題。抵抗損による電力効率の低下、エレクトロマイグレーションによる不良の発生、瞬時的な電源電圧の低下による動作不良などがある［クリックで拡大］ 出所：TSMC（IEDM 2025のショートコース（番号SC1-5）で公表された講演スライドから）