英特爾宣布22nm芯片采用全新3D結(jié)構(gòu)(圖)
這款3D三柵極晶體管代表著從2D平面晶體管結(jié)構(gòu)的根本性轉(zhuǎn)變。幾十年來(lái)，2D晶體管不僅一直在計(jì)算機(jī)、手機(jī)、消費(fèi)電子產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用，還用于汽車、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備以及數(shù)千種日用設(shè)備的電子控制中。
英特爾公司總裁兼首席執(zhí)行官歐德寧(Paul Otellini)表示：“英特爾的科學(xué)家和工程師通過(guò)采用3D結(jié)構(gòu)，再一次實(shí)現(xiàn)了晶體管的革命。隨著我們把摩爾定律推進(jìn)到新的領(lǐng)域，3D結(jié)構(gòu)將幫助我們打造令人驚嘆且能改變世界的設(shè)備?！?br>
科學(xué)家早就意識(shí)到3D結(jié)構(gòu)對(duì)于延續(xù)摩爾定律的重要意義，因?yàn)槊鎸?duì)非常小的設(shè)備尺寸，物理定律成為晶體管技術(shù)進(jìn)步的障礙。今天宣布的革命性成果，其關(guān)鍵在于英特爾能夠把全新的3D三柵極晶體管設(shè)計(jì)投入批量生產(chǎn)，開啟了摩爾定律的又一個(gè)新時(shí)代，并且為各種類型的設(shè)備的下一代創(chuàng)新打開了大門。
摩爾定律預(yù)測(cè)了硅技術(shù)的發(fā)展步伐：晶體管密度大約每?jī)赡瓯銜?huì)增加一倍，同時(shí)其功能和性能將提高，而成本則會(huì)降低。40多年以來(lái)，摩爾定律已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)的基本商業(yè)模式。
實(shí)現(xiàn)前所未有的能耗節(jié)省和性能提升
英特爾的3D三柵極晶體管使芯片能夠在更低的電壓下運(yùn)行，并進(jìn)一步減少漏電量，與之前最先進(jìn)的晶體管相比，它能提供前所未有的更高性能和能效。這些能力讓芯片設(shè)計(jì)師可以根據(jù)應(yīng)用的需求靈活地選用低能耗或高性能晶體管。
與之前的32nm平面晶體管相比，22nm 3D三柵極晶體管在低電壓下將性能提高了37%。這一驚人的改進(jìn)意味著它們將是小型手持設(shè)備的理想選擇，這種設(shè)備要求晶體管在運(yùn)行時(shí)只用較少的電力進(jìn)行“開關(guān)”操作。全新的晶體管只需消耗不到一半的電量，就能達(dá)到與32nm芯片中2D平面晶體管一樣的性能。
英特爾高級(jí)院士馬博(Mark Bohr)表示：“英特爾獨(dú)一無(wú)二的3D三柵極晶體管實(shí)現(xiàn)了前所未有的性能提升和能耗節(jié)省。這一里程碑的意義要比單純跟上摩爾定律的步伐更為深遠(yuǎn)。低電壓和低電量的好處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我們通常從一代制程升級(jí)到下一代制程時(shí)所得到的好處。它將讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)師能夠靈活地將現(xiàn)有設(shè)備創(chuàng)新得更智能，并且有可能開發(fā)出全新的產(chǎn)品。我們相信這一突破將進(jìn)一步擴(kuò)大英特爾在半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。”
繼續(xù)創(chuàng)新步伐——摩爾定律
根據(jù)以英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登?摩爾(Gordon Moore)命名的摩爾定律，晶體管將變得越來(lái)越小、越來(lái)越便宜，并且能效越來(lái)越高。正因?yàn)槿绱耍⑻貭栆恢眻?jiān)持推動(dòng)創(chuàng)新和集成，為每個(gè)芯片添加更多功能和計(jì)算內(nèi)核，從而提高性能，并降低單個(gè)晶體管的制造成本。
要在22nm制程時(shí)代延續(xù)摩爾定律，這是一項(xiàng)異常復(fù)雜的技術(shù)。英特爾的科學(xué)家們?cè)?002年發(fā)明了三柵極晶體管——這是根據(jù)柵極有三面而取名的。得益于英特爾高度協(xié)同的研究-開發(fā)-制造技術(shù)的集成作業(yè)(research-development-manufacturing pipeline)，今天宣布的技術(shù)突破是多年研發(fā)的成果，也標(biāo)志著這項(xiàng)成果開始進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。
3D三柵極晶體管實(shí)現(xiàn)晶體管的革命性突破。傳統(tǒng)“扁平的”2D平面柵極被超級(jí)纖薄的、從硅基體垂直豎起的3D硅鰭狀物所代替。電流控制是通過(guò)在鰭狀物三面的每一面安裝一個(gè)柵極而實(shí)現(xiàn)的(兩側(cè)和頂部各有一個(gè)柵極)，而不是像2D平面晶體管那樣，只在頂部有一個(gè)柵極。更多控制可以使晶體管在“開”的狀態(tài)下讓盡可能多的電流通過(guò)(高性能)，而在“關(guān)”的狀態(tài)下盡可能讓電流接近零(低能耗)，同時(shí)還能在兩種狀態(tài)之間迅速切換(這也是為了達(dá)到高性能)。
就像摩天大樓通過(guò)向天空發(fā)展而使得城市規(guī)劃者優(yōu)化可用空間一樣，英特爾的3D三柵極晶體管結(jié)構(gòu)提供了一種管理晶體管密度的方式。由于這些鰭狀物本身是垂直的，晶體管也能更緊密地封裝起來(lái)——這是摩爾定律追求的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵點(diǎn)所在。未來(lái)，設(shè)計(jì)師還可以不斷增加鰭狀物的高度，從而獲得更高的性能和能效。
“在多年的探索中，我們已經(jīng)看到晶體管尺寸縮小所面臨的極限，”摩爾指出：“今天這種在基本結(jié)構(gòu)層面上的改變，是一種真正革命性的突破，它能夠讓摩爾定律以及創(chuàng)新的歷史步伐繼續(xù)保持活力?！?br>
全球首次展示22nm 3D三柵極晶體管
3D三柵極晶體管將在英特爾下一代22nm制程技術(shù)中采用。單個(gè)晶體管到底有多大呢?實(shí)際上，在雜志上一個(gè)“.”符號(hào)所占的面積上就可容納超過(guò)600萬(wàn)個(gè)22nm三柵極晶體管。
這一天，英特爾展示了全球首個(gè)研發(fā)代號(hào)為Ivy Bridge的22nm微處理器，可用于筆記本電腦、服務(wù)器和臺(tái)式機(jī)?；贗vy Bridge的英特爾酷睿系列處理器將是首批采用3D三柵極晶體管進(jìn)行批量生產(chǎn)的芯片。Ivy Bridge預(yù)計(jì)將在年底前投入批量生產(chǎn)。
這項(xiàng)硅技術(shù)的突破也將有助于交付更多基于高度集成的英特爾凌動(dòng)處理器的產(chǎn)品，以擴(kuò)展英特爾架構(gòu)的性能、功能和軟件兼容性，同時(shí)滿足各種細(xì)分市場(chǎng)對(duì)能耗、成本和設(shè)計(jì)尺寸的整體需求。
硅晶體管里程碑
硅晶體管史上第一次進(jìn)入3D時(shí)代。英特爾推出了三柵極晶體管，其中晶體管通道增加到第三維度。電流是從通道的三面(頂部、左側(cè)和右側(cè))來(lái)控制的，而不是像傳統(tǒng)平面晶體管一樣，只從頂部控制。最終的結(jié)果就是能夠更好地控制晶體管、最大程度利用晶體管開啟狀態(tài)時(shí)的電流(實(shí)現(xiàn)最佳性能)，并且在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)最大程度減少電流(降低漏電)。
英特爾在新的半導(dǎo)體技術(shù)中引入了22nm創(chuàng)新，這將確保摩爾定律在可預(yù)見的未來(lái)仍將繼續(xù)生效。讓我們一起回顧晶體管的歷史和關(guān)鍵里程碑事件：
* 1947年12月16日：William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain在貝爾實(shí)驗(yàn)室成功開發(fā)出首個(gè)晶體管。
* 1950年：William Shockley開發(fā)出雙極結(jié)型晶體管，就是現(xiàn)在通行的標(biāo)準(zhǔn)晶體管。
* 1954年10月18日：首款晶體管收音機(jī)Regency TR1上市，這種收音機(jī)里面只包含四個(gè)鍺晶體管。[!--empirenews.page--]
* 1961年4月25日：羅伯特·諾伊斯獲得首個(gè)集成電路專利。最初的晶體管對(duì)于收音機(jī)和電話而言已經(jīng)足夠了，但是更新的電子設(shè)備要求規(guī)格更小的晶體管——集成電路。
* 1965年：摩爾定律誕生——戈登·摩爾在《電子雜志》發(fā)表的文章中預(yù)測(cè)：未來(lái)芯片上晶體管的數(shù)量大約每年翻一倍(10年后，修正為每?jī)赡攴槐?。三年后，摩爾和諾伊斯創(chuàng)建了英特爾公司，英文名Intel即“集成電子(integrated electronics)”的縮寫。
* 1969年：英特爾開發(fā)出首個(gè)成功的PMOS硅柵極晶體管技術(shù)。這些晶體管繼續(xù)使用傳統(tǒng)的二氧化硅(SiO2)柵介質(zhì)，但是引入了新的多晶硅柵電極。
* 1971年：英特爾推出首個(gè)微處理器——4004。4004的規(guī)格為1/8英寸×1/16英寸，包含2250個(gè)晶體管，采用英特爾10μmPMOS技術(shù)在2英寸晶圓上生產(chǎn)。
* 1985年：英特爾386微處理器問世，含有275,000個(gè)晶體管，是最初4004晶體管數(shù)量的100多倍。386是32位芯片，具備多任務(wù)處理能力，可同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序。最初是使用1.5μmCMOS技術(shù)制造的。
* 2002年8月13日：英特爾發(fā)布了90nm制程技術(shù)的若干技術(shù)突破，包括高性能、低功耗晶體管，應(yīng)變硅，高速銅質(zhì)接頭和新型低-k介質(zhì)材料。這是業(yè)內(nèi)首次在生產(chǎn)工藝中采用應(yīng)變硅。
* 2007年9月：英特爾公布采用突破性的晶體管材料——高-k金屬柵極。英特爾將采用這些材料在公司下一代處理器——英特爾酷睿2雙核、英特爾酷睿2四核處理器以及英特爾至強(qiáng)系列多核處理器的數(shù)以億計(jì)的45nm晶體管中用來(lái)構(gòu)建絕緣“墻”和開關(guān)“門”，研發(fā)代號(hào)為Penryn。
* 2011年5月3日——英特爾宣布將批量生產(chǎn)一種全新的晶體管設(shè)計(jì)。三柵極晶體管將在各種計(jì)算設(shè)備中(從服務(wù)器到臺(tái)式機(jī)，從筆記本電腦到手持式設(shè)備)實(shí)現(xiàn)前所未有的高性能和能效。
蘇鋒
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