圖解英特爾提前量產(chǎn)3D晶體管，進(jìn)入22nm時代
[導(dǎo)讀]作者：孫昌旭
業(yè)界一直傳說3D三柵級晶體管技術(shù)將會用于下下代14nm的半導(dǎo)體制造，沒想到英特爾竟提前將之用于22nm工藝，并且于上周四向全世界表示將在年底進(jìn)行規(guī)模量產(chǎn)，批量投產(chǎn)研發(fā)代號Ivy Bridge的22納米英特爾
作者：孫昌旭
業(yè)界一直傳說3D三柵級晶體管技術(shù)將會用于下下代14nm的半導(dǎo)體制造，沒想到英特爾竟提前將之用于22nm工藝，并且于上周四向全世界表示將在年底進(jìn)行規(guī)模量產(chǎn)，批量投產(chǎn)研發(fā)代號Ivy Bridge的22納米英特爾CPU，并在美國展示了這款處理器。計劃中將有五個工廠同時轉(zhuǎn)入22nm 3D晶體管制程。如下圖。
用了50多年的2D平面硅晶體管將被3D晶體管所取代，這確是一種劃時代的進(jìn)步。雖然其它半導(dǎo)體陣營如IBM也有類似的技術(shù)研究，但此次英特爾是首次宣布已能進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。這一發(fā)布令業(yè)界無不驚嘆：半導(dǎo)體技術(shù)又獲得了新生，摩爾定律又得以延續(xù)。英特爾的確太偉大了，它帶領(lǐng)全球半導(dǎo)體業(yè)又邁上的新的臺階。摩爾定律創(chuàng)始人戈登 摩爾對此次突破性的革命給出了很高的評價： “在多年的探索中，我們已看到晶體管尺寸縮小所面臨的極限。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>
什么是3D三柵極晶體管技術(shù)呢？如下圖。傳統(tǒng)“平面的”2-D平面柵極被超級纖薄的、從硅基體垂直豎起的3-D硅鰭狀物所代替。電流控制是通過在鰭狀物三面的每一面安裝一個柵極而實現(xiàn)的(兩側(cè)和頂部各有一個柵極)，而不是像2-D平面晶體管那樣，只在頂部有一個柵極。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(高性能)，而在“關(guān)”的狀態(tài)下盡可能讓電流接近零(即減少漏電，低能耗)，同時還能在兩種狀態(tài)之間迅速切換，進(jìn)一步實現(xiàn)更高性能。
就像摩天大樓通過向天空發(fā)展而使得城市規(guī)劃者優(yōu)化可用空間一樣，英特爾的3-D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——這是摩爾定律追求的技術(shù)和經(jīng)濟效益的關(guān)鍵點所在。未來，設(shè)計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。
目前幾種主流3D晶體管技術(shù)的比較
“事實上，英特爾在十年前就已成功研發(fā)出單鰭片晶體管，隨后研出發(fā)多鰭片晶體管、三柵極SRAM單元以及三柵極RMG流程(如下圖)。這為今天英特爾推出大規(guī)模量產(chǎn)的三柵極CPU作好了充分的準(zhǔn)備?！庇⑻貭柤夹g(shù)與制造事業(yè)部亞洲區(qū)發(fā)言人柯必杰(Kirby Jefferson)在上周北京的記者會上表示，“所以，我們說能大規(guī)模生產(chǎn)，是表示我們的生產(chǎn)良率、缺陷率等參數(shù)已完全能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求，和目前的32nm工藝的水平已非常接近?！彼Q。
他還比較了英特爾的3D三柵極技術(shù)與其它兩種3D晶體管技術(shù)的區(qū)別?！?D三柵極晶體管技術(shù)優(yōu)于Bulk，PDSOI以及FDSOI技術(shù)?！彼忉?，對于Bulk晶體管技術(shù)，襯底電壓在反型層(源漏電流在其上流動)施加某些電氣影響，襯底電壓的影響降級電氣次臨界斜率(晶體管關(guān)閉特征)，是未完全耗盡的方式；部分耗盡的 SOI(PDSOI)，浮體在反型層施加某些電氣影響，降級次臨界斜率，也是未完全耗盡；全耗盡SOI(FDSOI)，浮體消除，而次臨界斜率提高，需要昂貴的超薄 SOI 晶圓，這讓整體制程成本增加了大約 10%。而英特爾的全耗盡型3D三柵極晶體管，
柵極從三個側(cè)面控制硅鰭狀物，提高次臨界斜率，反型層面積增加，用于更高的驅(qū)動電流，
制程成本只增加 2-3%。
單晶體管功耗下降50%，性能提升37%
與之前的32納米平面晶體管相比，22納米3-D三柵極晶體管在低電壓下將性能提高了37%，而功耗下降一半。無疑，這一巨大的改進(jìn)意味著它們將是英特爾進(jìn)入小型手持設(shè)備的殺手武器。“采用這種技術(shù)的終端，僅要求晶體管在運行時只用較少的電力進(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32納米芯片中2-D平面晶體管一樣的性能?！笨卤缺硎?，“低電壓和低電量的好處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們通常從一代制程升級到下一代制程時所得到的好處。它將讓產(chǎn)品設(shè)計師能夠靈活地將現(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?！?br>
顯然，這個全新的22nm技術(shù)，將是英特爾在手持設(shè)備市場與ARM陣營決一死戰(zhàn)的重要籌碼與武器。雖然此次只是宣布了ivy Bridge處理器的量產(chǎn)，并沒有表示嵌入式CPU何時引入22nm，但是柯比對昌旭表示：“我們每一代新的工藝上，由桌面CPU引入，再引入到嵌入式CPU。這個時間差在每一代工藝上都會縮小?！彼脑捄孟窠o出了一種暗示。如今在手持設(shè)備市場，英特爾被賦予太多的責(zé)備與猜疑，甚至有分析師指“英特爾已是昨日黃花，英特爾已沒有創(chuàng)新能力了?！辈裾J(rèn)為這種說法的分析師太不了解英特爾了。英特爾可以說一直是半導(dǎo)體技術(shù)前進(jìn)的動力，而半導(dǎo)體技術(shù)是所有電子產(chǎn)業(yè)的基石。只是，英特爾在下一盤很大的棋，外面的人不一定看得懂，包括近年來巨資收購麥咖啡、風(fēng)河和英飛凌，還有傳聞中的將收購NFC技術(shù)等等，這些就像是一盤迷局，讓很多人霧里看花。此次，英特爾又推翻了所人有的猜測，提前在22nm工藝上就推出3D三柵級晶體管，這顯示出英特爾這盤棋的步伐已加快了，一場重大戰(zhàn)役就快打響了。作為消費者的我們，當(dāng)然希望看到更多先進(jìn)的技術(shù)與產(chǎn)品，讓我們拭目以待。
下圖：英特爾一直引領(lǐng)半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新
32nm 2D晶體管
22nm 3D晶體管
32nm二維晶體管與22nm三維晶體管對比
Intel公布的22nm三柵晶體管溝道電流值[!--empirenews.page--]
業(yè)界一直傳說3D三柵級晶體管技術(shù)將會用于下下代14nm的半導(dǎo)體制造，沒想到英特爾竟提前將之用于22nm工藝，并且于上周四向全世界表示將在年底進(jìn)行規(guī)模量產(chǎn)，批量投產(chǎn)研發(fā)代號Ivy Bridge的22納米英特爾CPU，并在美國展示了這款處理器。計劃中將有五個工廠同時轉(zhuǎn)入22nm 3D晶體管制程。如下圖。
用了50多年的2D平面硅晶體管將被3D晶體管所取代，這確是一種劃時代的進(jìn)步。雖然其它半導(dǎo)體陣營如IBM也有類似的技術(shù)研究，但此次英特爾是首次宣布已能進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。這一發(fā)布令業(yè)界無不驚嘆：半導(dǎo)體技術(shù)又獲得了新生，摩爾定律又得以延續(xù)。英特爾的確太偉大了，它帶領(lǐng)全球半導(dǎo)體業(yè)又邁上的新的臺階。摩爾定律創(chuàng)始人戈登 摩爾對此次突破性的革命給出了很高的評價： “在多年的探索中，我們已看到晶體管尺寸縮小所面臨的極限。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>
什么是3D三柵極晶體管技術(shù)呢？如下圖。傳統(tǒng)“平面的”2-D平面柵極被超級纖薄的、從硅基體垂直豎起的3-D硅鰭狀物所代替。電流控制是通過在鰭狀物三面的每一面安裝一個柵極而實現(xiàn)的(兩側(cè)和頂部各有一個柵極)，而不是像2-D平面晶體管那樣，只在頂部有一個柵極。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(高性能)，而在“關(guān)”的狀態(tài)下盡可能讓電流接近零(即減少漏電，低能耗)，同時還能在兩種狀態(tài)之間迅速切換，進(jìn)一步實現(xiàn)更高性能。
就像摩天大樓通過向天空發(fā)展而使得城市規(guī)劃者優(yōu)化可用空間一樣，英特爾的3-D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——這是摩爾定律追求的技術(shù)和經(jīng)濟效益的關(guān)鍵點所在。未來，設(shè)計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。
目前幾種主流3D晶體管技術(shù)的比較
“事實上，英特爾在十年前就已成功研發(fā)出單鰭片晶體管，隨后研出發(fā)多鰭片晶體管、三柵極SRAM單元以及三柵極RMG流程(如下圖)。這為今天英特爾推出大規(guī)模量產(chǎn)的三柵極CPU作好了充分的準(zhǔn)備?！庇⑻貭柤夹g(shù)與制造事業(yè)部亞洲區(qū)發(fā)言人柯必杰(Kirby Jefferson)在上周北京的記者會上表示，“所以，我們說能大規(guī)模生產(chǎn)，是表示我們的生產(chǎn)良率、缺陷率等參數(shù)已完全能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求，和目前的32nm工藝的水平已非常接近?！彼Q。
他還比較了英特爾的3D三柵極技術(shù)與其它兩種3D晶體管技術(shù)的區(qū)別?！?D三柵極晶體管技術(shù)優(yōu)于Bulk，PDSOI以及FDSOI技術(shù)?！彼忉?，對于Bulk晶體管技術(shù)，襯底電壓在反型層(源漏電流在其上流動)施加某些電氣影響，襯底電壓的影響降級電氣次臨界斜率(晶體管關(guān)閉特征)，是未完全耗盡的方式；部分耗盡的 SOI(PDSOI)，浮體在反型層施加某些電氣影響，降級次臨界斜率，也是未完全耗盡；全耗盡SOI(FDSOI)，浮體消除，而次臨界斜率提高，需要昂貴的超薄 SOI 晶圓，這讓整體制程成本增加了大約 10%。而英特爾的全耗盡型3D三柵極晶體管，
柵極從三個側(cè)面控制硅鰭狀物，提高次臨界斜率，反型層面積增加，用于更高的驅(qū)動電流，
制程成本只增加 2-3%。
單晶體管功耗下降50%，性能提升37%
與之前的32納米平面晶體管相比，22納米3-D三柵極晶體管在低電壓下將性能提高了37%，而功耗下降一半。無疑，這一巨大的改進(jìn)意味著它們將是英特爾進(jìn)入小型手持設(shè)備的殺手武器。“采用這種技術(shù)的終端，僅要求晶體管在運行時只用較少的電力進(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32納米芯片中2-D平面晶體管一樣的性能?！笨卤缺硎?，“低電壓和低電量的好處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們通常從一代制程升級到下一代制程時所得到的好處。它將讓產(chǎn)品設(shè)計師能夠靈活地將現(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?！?br>
顯然，這個全新的22nm技術(shù)，將是英特爾在手持設(shè)備市場與ARM陣營決一死戰(zhàn)的重要籌碼與武器。雖然此次只是宣布了ivy Bridge處理器的量產(chǎn)，并沒有表示嵌入式CPU何時引入22nm，但是柯比對昌旭表示：“我們每一代新的工藝上，由桌面CPU引入，再引入到嵌入式CPU。這個時間差在每一代工藝上都會縮小?！彼脑捄孟窠o出了一種暗示。如今在手持設(shè)備市場，英特爾被賦予太多的責(zé)備與猜疑，甚至有分析師指“英特爾已是昨日黃花，英特爾已沒有創(chuàng)新能力了?！辈裾J(rèn)為這種說法的分析師太不了解英特爾了。英特爾可以說一直是半導(dǎo)體技術(shù)前進(jìn)的動力，而半導(dǎo)體技術(shù)是所有電子產(chǎn)業(yè)的基石。只是，英特爾在下一盤很大的棋，外面的人不一定看得懂，包括近年來巨資收購麥咖啡、風(fēng)河和英飛凌，還有傳聞中的將收購NFC技術(shù)等等，這些就像是一盤迷局，讓很多人霧里看花。此次，英特爾又推翻了所人有的猜測，提前在22nm工藝上就推出3D三柵級晶體管，這顯示出英特爾這盤棋的步伐已加快了，一場重大戰(zhàn)役就快打響了。作為消費者的我們，當(dāng)然希望看到更多先進(jìn)的技術(shù)與產(chǎn)品，讓我們拭目以待。
下圖：英特爾一直引領(lǐng)半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新
32nm 2D晶體管
22nm 3D晶體管
32nm二維晶體管與22nm三維晶體管對比
Intel公布的22nm三柵晶體管溝道電流值[!--empirenews.page--]
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