45纳米—摩尔定律延续40年

  ● 45纳米堪比越王勾践剑

  不久前在2008上海IDF上,英特尔公司全球副总裁、中国大区总经理杨叙在演讲中指出:“越王勾践剑采用了创新的特殊材料,历久而还是很新,而英特尔45纳米技术堪比越王勾践剑,将引领半导体产业再次走上创新之路。”

  纳米(nanometer)是十亿分之一米,约相当于45个原子串起来那么长。而纳米技术也就是在纳米尺度(0.1nm到100nm之间)的研究物质的相互作用和运动规律,以及在实际应用中利用这些规律的多学科的科学和技术。我们更加熟悉的是在处理器上的纳米技术,越来越小的纳米工艺数值从一个侧面推动了信息产业这几十年爆炸式的增长,纳米工艺的数字表示处理器内部晶体管之间连线宽度,45纳米技术则是CPU制造工艺的空前高度。

CPU焕新生 谈英特尔45纳米处理器技术
45纳米晶圆效果图

  ● 摩尔定律和Intel的X86历程

  集成电路才问世6年的 1965年,还是仙童公司工程师的摩尔对半导体产业做出预言—半导体芯片上集成的晶体管数量将每年翻一番,之后的1975年他做出修正改为每两年翻一番。而就在该理论提出的时候,摩尔所在的实验室也只能将50个晶体管集成在一个芯片上。

  历史飞速的驶过了40余年,半导体产业尤其是领军者英特尔已经用事实执行了“摩尔定律”,在实践中,这个周期被证实是18个月。这里我们不妨回忆一下英特尔在这些年中出品的X86系列CPU:

  1971-1972
10微米(10000纳米)工艺, Intel 4004、8008,2300-3500晶体管;

  1974
  6微米(6000纳米)工艺, Intel 8080,6000晶体管;

  1976-1982
  3微米(3000纳米)工艺, Intel 8085、8086、8088、80286,6500-134000晶体管;

  1985
  1.5微米(1500纳米)工艺, Intel 80386DX,275000晶体管;

  1989
  1微米(1000纳米)工艺, Intel 80486DX、120万万晶体管;

  1993
  500纳米工艺, Pentium,350万晶体管;

  1996-1998
  350纳米工艺, Pentium MMX、Pentium II,450万-750万晶体管;

  1998-1999
  250纳米工艺, Pentium II、Pentium III、Celeron,750万-950万晶体管;

  1998-1999
  250纳米工艺, Pentium II、Pentium III,750万-950万晶体管;

  2000
  180纳米工艺, Pentium III、Celeron,Pentium 4,950万-4200万晶体管;

  2001-2003
  130纳米工艺, Pentium III,Pentium 4,950万-5500万晶体管;

  2004
  90纳米工艺, Pentium 4,1亿晶体管;

  2006-2007
  65纳米工艺, Pentium EE、Pentium D、Core 2,2亿3000万-2亿9000万晶体管;

  2007至今
  45纳米工艺, Core 2,4亿1000万-8亿2千万。
  早前间的英特尔处理器研发过程基本顺畅:按部就班的提升工艺,晶体管数目也几何级数的迅速攀升,一直到65nm工艺时期截止。2006年的65nm工艺技术突破遭遇的困难非常大,经过几次改进后漏电流和功耗的情况有所改善,但这也几乎挖掘了CPU最后的潜力,绝缘层已经只有5个硅原子的厚度,已经不可能再薄了,英特尔用尽了所有的办法才使得65nm工艺基本达到了要求,硅材料制造CPU在65nm时走到了尽头,亟待新的突破。

材料突破-Hafnium High-k栅介质

  是什么东西担当起救世主的角色延续了英特尔CPU技术的高速发展,继续验证摩尔定律呢。他们是High-k栅介质和金属栅极晶体管。这两个尖端技术带来重大的性能提升和降低漏电,可实现产品由65纳米向45纳米的顺利过渡,现在我们已经可以在市场上买到千元级别的45纳米新式处理器,促成这巨大技术进步的基础是半导体领域材料科学的发展,以下笔者将细致展开关于英特尔引入的High-k栅介质+金属栅极晶体管两项新材料的细节。

  ● High-K栅介质

  二氧化硅有着非常简易的制造方法,之前半导体制造商都采用二氧化硅作为为绝缘层的材料。英特尔在导入 65纳米工艺时,已经成功将二氧化硅的厚度降至1.2纳米—相当于五层原子的厚度的极限水平。然而在45纳米工艺时代,英特尔不得不谋求新的绝缘层材料使得摩尔定律得以延续—以Hafnium(铪)为基础的High-k材料,因为High-K材料对电子泄漏的阻隔效果比二氧化硅强。这种材料对电子泄漏的阻隔效果可以达到传统材料二氧化硅的10倍,电子泄漏基本被阻断,可大幅减少漏电量。

  介电常数(K-希腊文字Kappa简写)是用来衡量材料能储存电荷能力的一种系数,不同种类的材料其K 值一般来说是不同的,二氧化硅其k值为3.9,而超过这个数值的材料我们就习惯称之为High-k材料。那么为什么要用High-K材料取代二氧化硅呢?这还得从电子泄漏说起。

  ● 解决电子泄露

  英特尔从90纳米工艺到45纳米前,在晶体管栅极上大规模使用的是应变硅技术,而应变硅技术的着眼点在于加速晶体管内部电流的通过速度,让晶体管获得更出色的效能。所谓的应变硅是指一种仅有1.2纳米厚度的超薄氧化物层,利用应变硅代替原来的高纯硅制造晶体管内部的通道,如此一来,可以让晶体管内的原子距离拉长,从而实现单位长度上原子数目减少的目的。当电子通过这些区域时所遇到的阻力就会减少,从而提高了晶体管性能 。

  与应变硅技术加速晶体管内电流速度相反,在不同晶体管之间需要的是绝缘,以避免泄漏的问题。在90纳米工艺之前,泄漏问题并不严重,因为晶体管之间有较长的距离。但转换到90纳米工艺之后,不同晶体管的间距变得非常之短,电流泄漏现象变得异常严重。而为了抵消泄漏的电流,芯片不得不要求更大的供电量,造成的直接后果就是芯片功耗增加。我们可以看到,无论英特尔还是AMD,90纳米制程所生产的产品都没有在功耗方面表现出应有的优势,而按照惯例,每次新工艺都会让同型芯片的功耗降低30%左右。

  IBM和AMD在65纳米产品生产上采用了SOI技术,虽然SOI有效隔断了各电极向衬底流动的漏电流,使其只能通过晶体管流动,但SOI技术对于同一层面的晶体管之间的阻隔效果并不理想。由于传统的二氧化硅作为门和通道之间的绝缘层已经显现出问题而新研发的SOI技术并不能从根本上解决此问题,英特尔 最终研发出前文所述的Hafnium High-k材料攻克了难关

配合—金属栅极晶体管+High-K

  ● 金属栅极晶体管

  虽然英特尔所采用的High-K新材料拥有不错的电子阻隔效果,但是却无法与现有闸极采用的多晶硅相兼容,因此英特尔又特别开发了一种新的金属栅极材料来使用,由于目前金属材料的细节属于商业机密,使得我们并不能像知晓High-K所使用元素那样知晓金属栅极晶体管究竟使用什么元素制成,但有一点可以确定—英特尔采用不同金属材料组合而成。

  当然,这种神秘的新材料肯定具有非常高的导电率。以解决现有材料因电阻较大,而造成较长延迟周期的问题。(注:如果材料电阻较大,根据RC延迟电路延迟周期T=2πRC可以知道迟延周期较大。如果采用导电率较高的金属类材料栅电极,就能彻底解决栅极耗尽的问题。)

  ● 金属栅极晶体管+High-K

CPU焕新生 谈英特尔45纳米处理器技术
High-k栅介质与金属栅极晶体管的的共同作用

  High-k栅介质与金属栅极晶体管的引入能够使得晶体管漏电率较之传统材料降低10倍以上,与65纳米制程工艺相比能够在相同耗能下提升20%的时钟频率亦或是在相同时钟频率下拥有更低的耗能。45纳米晶片每秒钟能够进行约三千亿次的开关动作,在以铜与 low-k材料搭配组成的内部连接线的作用下,晶片开关速度能够提升20%且耗电量降低30%。

  值得一提的是,除二氧化硅外,铅由于其具备相当的电气和机械特性,数十年来亦被广泛应用电气元件的制造中。不过虽然其创造价值无数,但对于生态环境以及人类健康的危害亦不容被忽视。

  对现代处理器而言,铅主要存在于连接硅晶片与基板的内部连接点第一层内5%左右的焊锡中,而英特尔公司则以锡、银、铜的合金取代现有铅、锡为主的焊锡,并宣布45纳米 High-k栅介质与金属栅极晶体管产品中全面采用100%无铅工艺制造,而2008年基于65纳米制程工艺制造的产品亦将加入到这一行列之中。值得一提的是,对于拥有复杂硅晶片连接结构的处理器技术而言,替换其连接材料绝非易事,英特尔公司为此耗费了大量的精力, 做法是值得称赞的。
产品—45纳米的处理器优势

  与65纳米处理器其相比,45纳米工艺可以使晶体管密度提升接近两倍,因此英特尔得以增加CPU内部晶体管总数,显著提升CPU的计算能力,令产品更具竞争力,并同时让晶体管开关动作所需电力更低,理论耗电量减少近30%。英特尔克服重重困难,实现45纳米工艺处理器的量产,让CPU的发展继续遵循着摩尔定律走下去,这对整个半导体集成电路制造业来说可谓是意义深远。

  从去年第四季度到现在,英特尔的酷睿2系列处理器已经有多款四核心、双核心的产品问世,再次拉升了其在这个领域的领先优势。

  ● 45纳米四核:Core 2 Extreme QX9650

  45纳米技术的旗舰型号CPU,属至尊系列的酷睿2处理器,核心代号为Yorkfield,4核配置, 6MB*2共12MB的二级缓存容量,1333MHz FSB,3GHz主频。虽然内建晶体管数量提升了约40%,但是得益于先进的45纳米制程工艺,Yorkfield内核四核心处理器的核心面积仍由286 平方毫米缩减至现时的214平方毫米。

  有部分最新的处理器架构方面的改进也和45纳米技术一起到来,这些虽然和工艺改进没有直接联系,但确实是目前45纳米CPU产品所特有的:

  SSE4指令集(Streaming SIMD Extension4)是继2001年的SSE2之后最为重要的多媒体指令集改进。SSE4除了扩展Intel EMT64指令外,还针对高清编码、播放、图形渲染、三维渲染、3D游戏应用进行了多方面的改进,使得产品的性能在更大范围内得到提升。这里需要指出的是,SSE4指令集包含SSE4.1和SSE4.2,目前装备与45nm处理器上的为SSE4.1,增加了47条新指令。新的指令集得到了众多软件巨头的支持,其中包括Microsoft、Adobe等业界大牌。

  基于45纳米的Penryn家族在Core架构的基础上进一步改良了除法器设计。在科学运算、三位坐标转换以及一些密集型数学运算中可以获得近2倍的除法运算速度,英特尔称之为Fast Radix-16 Divider快速Radix-16除法器。这种改良型的设计能够在每个时钟周期计算出4位的商值,与基数为4的算法在每时钟周期只能算出2位商值相比,提升了一倍的性能。

本站评测《Intel首款45nm新旗舰QX9650超详细测试》

  ● 45纳米双核:Core 2 Duo E7200

  45纳米技术的入门型号CPU,核心代号为Wolfdale,2核配置,3MB的二级缓存容量,1066MHz FSB,2.53GHz主频。定位在千元级的E7200拥有45纳米高端处理器的几乎所有技术优势,差异只是计算能力,体现出了最高的性价比。

产品背视图
Core 2 Duo E7200

本站评测《45nm平民化 酷睿2 E7200对战AMD三核》

  45纳米新制程工艺所带来的最直接的好处就是—将给提升每瓦性能打下基础,更高的每瓦性能将进一步加强用户的使用体验。显然,摩尔定律在45纳米的有力支撑下还远未到被摒弃的时机,它过去的几十年间验证了半导体产品的发展,相信也能在未来的5年甚至10年中我持续生效。

  普通用户使用的CPU性能提升的一小步,在65纳米至45纳米之间的跳跃,对于那些奋战在一线的科学家们确是实实在在的一大步,英特尔已经为性能的再次飞跃打好了技术物质基础,我们在PC上的体验可以预见也会很快得到大幅改变。

Trackback

no comment untill now

Sorry, comments closed.