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英特爾45納米高K半導體製程技術

標籤:45納米英特爾架構

1概述

英特爾45納米高K半導體製程技術

  英特爾45納米高K半導體製程技術

英特爾45納米高K半導體製程技術全稱為英特爾45納米高K金屬柵硅製程技術。該技術突破性的採用金屬鉿製作具有高K特性的柵極絕緣層,是半導體行業的重要創新。英特爾的65納米製程升級為45納米製程技術並非以往升級所帶來的量變,而是脫胎換骨的飛躍。憑藉製程的創新,英特爾邁出TICK-TOCK產品發展戰略穩健的又一步,並拉開了半導體行業發展的歷史新篇章。這一創新再次延續了摩爾定律,使之在未來10年繼續有效。
隨著英特爾45納米半導體製程技術揭開神秘面紗,一系列採用該技術的伺服器、工作站及台式機處理器同期發布。較前代產品,新產品在性能、能耗比以及經濟性方面有顯著提高,並將在正式發布後向市場供貨。

2簡介

2007 年1 月初,英特爾內部就已經率先研製出了世界第一款45 納米 CPU,是 15 款正在開發的 45 納米處理器產品中的「老大」。憑藉這一 40 年來在基礎晶體管設計方面所取得的巨大成就,英特爾 45 納米技術能夠使晶體管切換速度提升 20% 以上,並使晶體管門泄漏率降低超過 10 倍。
時隔一年多的時間,英特爾已經基本完成45nm製造工藝戰略部署。

3技術優勢

採用英特爾45納米高k晶體管的優勢
全新英特爾45納米高k晶體管方案通過縮小晶體管的體積解決了漏電率問題。它能降低晶體管的漏電率,幫助英特爾的工程師們在提供更高性能的同時降低處理器的能耗。筆記本電腦漏電率的降低使得能耗也隨之減少,電池的使用時間更長了。
英特爾在新製程技術中採用的新材料
高k材料基於一種名為鉿的元素,而不是以往的二氧化硅;而晶體管柵極則由兩種金屬元素組成,取代了硅。多數晶體管和晶元仍基於先進的英特爾硅製程技術製造。新的方案中結合了所有這些新材料,是英特爾提升處理器性能的獨特手段。
隆重推出全球首款45 納米處理器
2007年11月16日下午,英特爾在京將與合作夥伴一道,全球同步發布創新的45納米高K製程技術及處理器新產品。
基於全新英特爾45 納米高k 晶元技術的第一個處理器家族將擁有眾多影響軟硬體性能的架構改進特性。英特爾在 45 納米技術中也運用了 100% 無鉛材料,同時仍在不斷努力,以期在2008 年生產出無鹵素產品,達到環境績效目標。第一批推出的45 納米產品家族的新成員還包括英特爾酷睿2 處理器和英特爾至強處理器家族。英特爾45nm處理器不但代表了行業內最高水平的製造工藝,其對環境的貢獻也是不可磨滅的。

4高K-金屬柵極和45納米有什麼關係

45納米不是指的晶元上每個晶體管的大小,也不是指用於蝕刻晶元形成電路時採用的激光光源的波長,而是指晶元上晶體管和晶體管之間導線連線的寬度,簡稱線寬。半導體業界習慣上用線寬這個工藝尺寸來代表硅晶元生產工藝的水平。早期的連線採用鋁,後來都採用銅連線了。
處理器生產工藝從早期的0.8微米,0.6微米,0.35微米,0.25微米,0.18微米,0.13微米,90納米(0.09微米),到今天的65納米,即將到來的45納米以及將來的32納米等等。處理器(CPU)性能的不斷提高離不開優秀的核心微架構的設計,而晶元生產工藝的更新換代是保證不斷創新設計的處理器變為現實的基礎。每一次製作工藝的更新換代都給新一輪處理器高速發展鋪平了大道。因為線寬越小,晶體管也越小,讓晶體管工作需要的電壓和電流就越低,晶體管開關的速度也就越快,這樣新工藝的晶體管就可以工作在更高的頻率,隨之而來的就是晶元性能的提升。
大家習慣了晶元生產工藝兩年一次的更新換代,給大家的感覺好像是從65納米到45納米同以前從130納米到90納米,以及從90納米到65納米一樣沒有什麼特別的。摩爾定律嘛,就是每24個月,在同樣面積的矽片上把2倍的晶體管「塞」進去,循環往複……
從單個晶體管的角度來看,為了延續摩爾定律,我們需要每兩年把晶體管的尺寸縮小到原來的一半。工藝已經將晶體管的組成部分做到了幾個分子和原子的厚度,組成半導體的材料已經達到了它的物理電氣特性的極限。最早達到這種極限的部件是組成晶體管的柵極氧化物--柵極介電質,現有的工藝都是採用二氧化硅(SiO2)層作為柵極介電質,如下圖。大家也把源極(Source)和漏極(Drain)之間叫做溝道,在柵極氧化物上面是柵極(Gate)。
二氧化硅是什麼?玻璃,水晶和石英的主要成分就是二氧化硅,它是一種良好的絕緣體。
同1995年晶體管中二氧化硅層相比,65納米工藝的晶體管中的二氧化硅層已經縮小到只有前者的十分之一,僅只有5個氧原子的厚度了。作為阻隔柵極和下層的絕緣體,二氧化硅層已經不能再進一步縮小了,否則產生的漏電流會讓晶體管無法正常工作,如果提高有效工作的電壓和電流,會使晶元最後的功耗大到驚人的地步。
為了使大家更好的理解問題的實質,讓我們來回顧一下晶體管的工作原理。S是指源極(Source),D是指漏極(Drain),G是柵極(Gate)。晶體管的工作原理其實很簡單,就是用兩個狀態表示二進位的「0」和「1」。
源極和漏極之間是溝道(Channel),當沒有對柵極(G)施加電壓的時候,溝道中不會聚集有效的電荷,源極(S)和漏極(S)之間不會有有效電流產生,晶體管處於關閉狀態。可以把這種關閉的狀態解釋為「0」。
我們可以把柵極比喻為控制水管的閥門,開啟讓水流過,關閉截止水流。晶體管的開啟/關閉的速度就是我們說的頻率,如果主頻是1GHz,也就是晶體管可以在1秒鐘開啟和關閉的次數達10億次。
回到前面的問題,從65納米開始,我們已經無法讓柵極介電質繼續消減變薄,而且到45納米,晶體管的尺寸要進一步縮小,源極和漏極也靠得更近了,如果不能解決柵極向下的漏電流問題以及源極和漏極之間的漏電流問題,摩爾定律也許就此終結。
現有材料都到物理極限了,怎麼辦呢?英特爾的技術精英們在九十年代中期就認識到這個問題了,進一步縮小二氧化硅層是不可能的了,需要突破習慣的思維方式,尋找未知的新材料,讓摩爾定律繼續有效。放棄已經用了近40年的現有材料,做出這樣的決定需要巨大的勇氣和科學的睿智。預知結果如何,且聽下回分解。
既然繼續採用二氧化硅作為柵極介電質沒有前途,那麼就要另闢蹊徑,有沒有可以代替二氧化硅的材料呢?就是尋找比二氧化硅更好的「絕緣體」,用以更好的分隔柵極和晶體管的其他部分,而且替代材料需要具有比二氧化硅更高的介電常數和更好的場效應特性。
說到這裡,需要先解釋一下,什麼是材料的高介電常數和場效應?就是材料應具有良好的絕緣屬性,同時在柵極和晶體硅襯底上的通道之間(源極和漏極之間)產生很好的場效應--就是高-K。
高的絕緣屬性和高-K屬性都是高性能晶體管的理想屬性。K 其實是電子學的工程術語,K源於希臘文Kappa,用于衡量一種材料存儲電荷(正電荷或者負電子)的能力。類比於不同吸水的材料,海綿可以吸附和存儲大量的水,木頭可以存儲一些水分,所以海綿比木頭的「K值」更高。具有高K的材料可以比其他材料能夠更好地存儲電荷。
確定了新的材料,要在45納米的量產中達到設定的目標也不是一件容易的事情。其中的艱辛就不再累述。看看新的材料在「高-K 柵極介電質+金屬柵極」晶體管中帶來了什麼樣的奇特效果。
從單個數字看5倍,10倍以及20%,可能不是特別激動人心,不過我們想象一下,一顆晶元上數以億計的晶體管,每個晶體管都能得益於這樣的飛躍,那麼累計提高的能效和減少的漏電量無異於「螞蟻雄兵」,非常可觀。障礙晶體管做得更小,漏電更低,能效更高以及性能更高的物理瓶頸就得以突破了。
「高-k柵介質+金屬柵極晶體管是自上世紀60年代晚期推出多晶硅柵極金屬氧化物半導體(MOS)晶體管以來,晶體管技術領域裡最重大的突破」。英特爾公司的創始人之一,也是摩爾定律的提出者--戈登 ?摩爾(Gordon Moore)博士給出了這樣極高的評價。

5酷睿處理器從性能到節能

關於「性能」和「節能」的問題爭論從來就不曾停止過,尤其是廣大中小企業在採購IT設備時最為關注的就是這兩個方面的指標。過去,它們就像是一對兒矛盾體,是此消彼長的關係。在2000年,處理器市場發生了急劇的變化,英特爾在千禧年歲末推出了主頻為1.4GHz的奔騰4處理器,一舉吸引了所有關注的目光,但遺憾的是,當時的處理器並沒有過多的考慮能耗問題,這一點從處理器對電源的要求變化中就能看出一些端倪:
奔騰4處理器的上市改變了電源的傳統規範,+5V滿足不了處理器的能耗需求,提供不了充足的電流,因此,英特爾推出了ATX12V 1.0規範,該規範改用+12V為處理器供電,放棄原來+5V供電的方案,並首次為CPU單獨增加了4Pin的介面,向處理器單獨供電。隨後的Prescott處理器繼續沿用了Netbursh架構,當處理器主頻大於3.2G時功耗可達到115W,小於等於3.2G時功耗也可達84W,英特爾在2004下半年推出的3.8GHz Prescott處理器的功耗竟接近150w,這對ATX12V 1.0規範不得不說是一場災難。為了解決功耗問題,英特爾隨後又推出了ATX12V1.1、1.2、1.3版本,儘管如此,受限於電源線材的物理特性,單路12V的輸出能力已經被提升到了極限,只能尋求另一種功耗解決方案,於是,英特爾推出了ATX12V 2.0規範,也就是大家常說的「雙路12V電源」。該規範最大的變化就是增加了一路+12V的輸出,在不影響PCI-E顯卡、主板供電的前提下,通過4Pin介面專門為CPU進行供電。
2006年可以算作另一個階段的起始點,酷睿微架構(英特爾架構)的橫空出世讓英特爾重回性能王者地位,最為關鍵的是,英特爾開始關注性能功耗比這一概念,能耗比是指PC的性能與功耗的比值,即每瓦特性能。能耗比在一定程度上反映PC的節能水平,能耗比數值越大,表示PC產品的性能越高。此外,45納米產品的普及也讓英特爾不用再擔心+12V電路供電不足這樣的問題,採用最新的45納米高-k+金屬柵極技術處理器的晶體管密度提升了2倍,晶體管切換率降低了30%以上,晶體管切換速度提升了20%以上,而柵極氧化物漏電功率卻降低10倍以上。根據最新資料顯示,英特爾32納米製程處理器將更加的節能易用,同事在性能上也有所提升,32納米技術是主流的45nm工藝技術的升級,它指的是半導體晶片的製造工藝技術,該技術追求更小的體積以及更高的性能,計算機從誕生以來,正是半導體晶片的製造工藝技術推動了其更新換代。在45納米製程中,高k電介質的等效氧化層厚度為1.0納米,而在32納米製程中,此氧化層的厚度僅為0.9納米,而柵極長度則縮短為30納米。32納米製程採用了與英特爾45納米製程一樣的置換金屬柵極工藝流程,這樣有利於Intel充分利用已有的成功工藝。這些改進對於縮小集成電路(IC)尺寸、提高晶體管的性能至關重要。總之,英特爾不會再去簡單的追求高性能而忽視功耗,注重效能比的英特爾將會為全球中小企業帶來更為易用的PC產品。

6意義

英特爾45納米處理器將正式宣布量產,全球獨家首次採用高k金屬柵技術,英特爾為半導體製造技術帶來了一次革命,從而使摩爾定律進一步得到了延伸。
摩爾定律己到終點?
摩爾定律象一盞明燈指引著全球半導體工業進步。如今摩爾定律不僅涵蓋半導體,而且己延伸至計算機,硬碟等中。40多年來的實踐證明了摩爾定律具有強大的經濟生存能力。
回顧半導體發展的歷程,之前總是由兩個輪子來推動工業的進步,一個是不斷地縮小特徵尺寸,由0.25微米、0.18微米、0.13微米、至90納米及65納米,通常每兩年時間跨上一個新的台階;另一個是增大矽片直徑,由6英寸、8英寸至12英寸。業界通常總是以採用縮小尺寸優先。
更小的線寬尺寸是半導體行業努力進步的方向,線寬越小,晶元的功耗越小,另外,也可以減少晶元的面積,從而降低晶元製造的成本。
然而,線寬尺寸的縮小不可能永無止境,在CMOS晶體管工藝製造中採用二氧化硅作為絕緣材料,實質上已逼近極限。如在65納米製程時,按等比縮小尺寸規律,二氧化硅絕緣層的厚度己降低至1.2納米,約5個硅原子層厚度,意味著如果再繼續縮小,將導致漏電及功耗急劇上升。
所以,如果半導體工藝製程技術無法不斷地的改進,實際上,摩爾定律早在2002年時已經終止。
45納米工藝製程是個分水嶺
半導體業界早在多年之前已經預測到45納米製程總有一天會到來,唯有用高k介質材料來替代傳統的二氧化硅才能渡過難關。因為採用高k介質材料,(SiO的k為3.9,高k材料為20以上)從理論上相當於提升柵極的有效厚度,可以使漏電流下降到10%以下。
另外,由於高k材料的功函數通常與傳統的多晶硅柵材料不匹配,所以必須用金屬柵電極來替代,因此高k及金屬柵材料的組合,己成為45納米製程新的CMOS結構的分水嶺。
英特爾公司此次在全球首次推出45納米高k金屬柵結構的處理器晶元其意義十分深遠。首先顯示英特爾公司的非凡勇氣,可以比喻為」第一個敢吃磅蟹的人」 ,因為由此可能直接打開通向32納米及22納米的通路,掃清工藝技術中的一大障礙。
所以連戈登摩爾自己也坦承,此舉是CMOS工藝製程的又一里程碑,將定律又延伸了另一個10至15年。

7處理器優點

與英特爾的65納米處理器晶元比較,面積由143平方毫米,下降到107平方毫米。通俗地說每個12英寸矽片可以多產出36%的處理器晶元,其經濟意義非常重要。
另外,通常在一個雙核處理器晶元中容納有4億個晶體管(4核處理器含有8億個晶體管)時,平均每平方毫米有373萬個。
英特爾45納米處理器晶元的優點,可以歸納為;
· 晶元上晶體管密度提高兩倍
· 功耗下降30%
· 晶元速度提高20%
· 柵極漏電流減少至十分之一

8發展

英特爾已經決定取消基於45nm工藝的Havendale處理器,改為直接推出下一代32nm工藝版本,代號「Clarkdale」。 Havendale基於45nm Nehalem架構,雙核心設計,同時以多晶元封裝(MCP)的形式集成圖形核心,原本定於2010年第一季度發布,將成為英特爾的第一顆CPU+GPU二合一處理器。
不過隨著32nm和第二代High-K工藝的成熟,英特爾將跳過45nm Havendale,直接應用工藝升級版新架構「Westmere」,順便還能降低功耗。根據英特爾官方文檔,32nm Clarkdale將採用LGA1156介面,支持超線程技術(雙核心四線程),集成4MB三級緩存,整合內存控制器支持雙通道DDR3-1333,除了集成圖形核心外還支持單x16或雙x8模式獨立顯卡,不過後者只能在Ibex Peak P55/P57晶元組上實現。

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