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摩尔定律仍存在 详细揭密45纳米制程技术

1965年4月,当时还是仙童公司电子工程师的摩尔在《电子学》杂志上发表文章对半导体产业做出预言―半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番……
发布时间:2007-08-29 05:03        来源:        作者:pcshow

  1965年4月,当时还是仙童公司电子工程师的摩尔在《电子学》杂志上发表文章对半导体产业做出预言―半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番。1975年他对此预言做出修正,芯片上集成的晶体管和电阻数量将每两年翻一番。而就在该理论提出的时候,集成电路才问世6年。而摩尔所在的实验室也只能将50个晶体管和电阻集成在一个芯片上。摩尔当时的预测在很多人听来都好像是科幻小说,但事实证明,摩尔的预言是正确的。尽管这一预言发展周期已经从最初预测的12个月延长到如今的近18个月,但“摩尔定律”依然是较为有效的,仍然从某种程度上指引着半导体的发展。



图1 著名的“摩尔定律”

  但是,就现今而言,很多业内人士对于摩尔定律是否能够继续指引半导体产业的发展产生了怀疑。中国工程院院士倪光南曾对媒体说过这样一句话,“任何一个定律,发展到一定时期,都会遇到‘失效’的问题,就摩尔定律而言,将遇到半导体集成方面的问题,按照摩尔定律规定的速度翻番下去,很快晶体管的尺寸就将达到极限,量子效应也会显现出来,形成短路”。那么这次 45纳米新制程技术的采用能否将摩尔定律寿命延长呢?

45纳米!4核处理器普及的关键

  在双核处理器普及正处于如日中天之时,4核处理器便成为服务器和发烧市场领域新的领头羊―在2006年11月份,英特尔率先发布了基于Core 2架构的4核处理器Core 2 Quad。与此同时,AMD也公布了代号为Altair的4核Opteron处理器,4核处理器的趋势势在必行。但现有核心代号Kentsfield的 Core 2 Quad并没有采用45纳米技术,而是继续沿用较为成熟的65纳米技术,今年年中推出的Yorkfield便自然会采用45纳米技术。究其原因很简单, Kentsfield Core 2 Quad采用65纳米技术生产,两颗芯片的晶体管总数为5.8亿个,芯片总面积达到了286mm2,如果在缓存容量高达12MB的Yorkfield身上继续使用65纳米那么将会出现不容忽视的生产成本与功耗问题。

  先进制程的引入可以同时缓解生产成本和功耗问题。首先,工艺制程的进步可以减少线宽和减小晶体管门长度,这样可以让处理器核心的面积随之减小,提高产品的合格率降低成本。其次,目前处理器主要是由CMOS 门电路所构成,而CMOS门电路的功耗可以由计算公式P=CV2f所得出。公式显示了功耗P、CMOS门电容C、晶体管频率f及供电电压V之间的关系。制程的进步会在线长和门长度的大小上有所体现,缩短其大小带来的好处便是使得驱动电流减弱―电流与功耗两者之间存在着正比关系,从而降低工作电流间接的让 CMOS门电路的功耗得以降低。另一方面,由于门长度的缩减使晶体管的电容随之减小,两者存在着正比关系。

  所以,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。

45纳米先行者―剖析英特尔45纳米制程

  从官方资料我们可以归纳出45纳米所带来的优势:1.晶体管密度提升2倍;2.晶体管切换速度提升20%或者功耗下降至原来的1/5;3.晶体管切换功率降低30%。

  英特尔所引入的High-k栅介质+金属栅极晶体管两项新材料对于45纳米优势体现有着至关重要意义。下面我们就从这两项新材料出发对英特尔45纳米做一个简单了解。


图2 High-k栅介质+金属栅极晶体管带来重大的性能提升和降低漏电,从而保证了摩尔定律持续有效

  1.High-K栅介质


  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,如当前所使用的绝缘层二氧化硅其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。

  英特尔从90纳米工艺到目前为止,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。


图3 应变硅使用前和使用后电流流畅度对比

  因为二氧化硅有着非常简易的制造方法,因此在此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纳米制程时,已经成功将二氧化硅的厚度降至1.2纳米(大约相当于五层原子的厚度)。然而,这样的厚度几乎已经达到了极限水平,如果再继续减少将会使得漏电的情况增加,也增加了消耗功率与热能。


图4 电子显微镜下的普通晶体管和High-k栅介质+金属栅极晶体管

  另一方面,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,英特尔决定寻求一种新型材料以使得摩尔定律得以延续。为了解决这个关键问题,英特尔决定利用Hafnium(铪,元素周期表中序号72)为基础来制造 High-k材料,由此使得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。

2.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闸极 
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。)

  借力于蓝色巨人―AMD的45纳米步伐

  相对于英特尔在制程技术方面的高歌猛进,AMD一直以来都在这方面采取了更为保守的策略。究其原因主要是AMD的公司规模较小、工厂少难以承受快速改进制程带来的冲击。但是在多内核CPU成为主流的今天,领先的制程意味着压倒性的成本优势,基于原生4内核设计的AMD K8L处理器如果没有更领先的制程支持,即便在性能上完全压倒Core2 Quad处理器也无法为AMD带来更多的收益。为了早日跨入45纳米的世界,AMD这次找来了英特尔宿敌―IBM的帮忙。

  在2006年底AMD在其平台分析会议上首次披露了关于45纳米研究的进度。在会议上AMD指出AMD与IBM合作开发的45纳米工艺处理器的研发即将完成,有望在08年上旬上市。AMD和IBM表示,在45纳米制程中两家公司开发出了被称作“浸入式光刻”的技术。在这个技术中硅片将会被完全浸没在液体中然后进行曝光。采用这种方式进行芯片制造,将会显著提升曝光镜头的对焦精度,从而提升良品率。

  在栅介质方面AMD和 IBM并没有像英特尔那样直接跳跃到High-K技术,而是采用了被称作Ultra Low-K的栅介质。这种栅介质相对于传统的Low-K材料将会有着更低的电子隔绝效果,并且在制造工艺方面较Low-K并没有太多的不同,由此能够大幅降低制程转换过程中的风险。尽管AMD和IBM并没有更多透露所谓的Ultra Low-K采用的是何种材料,但业界普遍认为Ultra Low-K在电气性能方面依然会逊色于High-K。与此同时,AMD和IBM还同样关注High-K介质,但并没有确认High-K究竟会用在45纳米制程上还是未来32纳米制程上。

  作为SOI技术的极力推动者,AMD和IBM还很有可能在45纳米制程上采用改进后的 SOI技术。所谓SOI(Silicon-on-insulator)技术是指在在绝缘层上(如二氧化硅)再附着非常薄的一层硅,在这层SOI层之上再制造电子设备。SOI与传统的半导体生产工艺(一般称为bulk CMOS)相比可提高性能25%~35%,最多可降低功耗至原来的1/3。在AMD 65纳米制程上SOI技术就已经大放异彩,如果45纳米制程中成功运用改进后的SOI,AMD有望进一步降低处理器的功耗。



图5 IBM试产的45纳米SRAM

  在制程转换进度方面AMD表示,他们成功生产出45纳米 SRAM测试晶圆,这种晶圆通常都被处理器厂商用来验证新工艺的可靠性。AMD 45纳米 SRAM测试晶圆是在英特尔拿出同类产品之后的三个月才完成。45纳米 SRAM测试晶圆生产性能取决于每个SRAM cell的大小,cell越小,工艺越好。

  英特尔 45纳米 SRAM测试晶圆每个SRAM cell大小是0.346平方微米,AMD的则是0.370平方微米。由此我们不难看出如果在未来处理器中应用更大的缓存,AMD在成本控制方面将会大幅落后于英特尔。

  Penryn vs. Shanghai,谁主沉浮?

  尽管AMD和英特尔都宣布开始全面转向45纳米制程技术,但纵然有IBM的帮助AMD的45纳米步伐依然要落后英特尔很多。纵观当今的处理器市场,英特尔已经完成了旗下全系列处理器65纳米制程的过渡,而AMD在65纳米过渡上却显得相当缓慢,采用65纳米制程的Athlon64处理器无论在成本还是性能表现方面都没有带给人们太多的惊喜。

  在65纳米制程上的落后还将会让45纳米制程转换的时间表一拖再拖。英特尔在近期的 Roadmap上已经明确表示年底将会推出采用45纳米制程的代号Penryn的处理器。相对于现在的Conroe处理器,45纳米制程的Penryn将会基于同样的Core2 架构,并且引入SSE4以及加大L2 Cache等设计。在4内核处理器上凭借Core2架构强大的性能和对内存延迟并不敏感的特性,代号Yorkfiled的45纳米制程4内核处理器依然会采用2片Penryn拼合的方法制造,以求在成本方面彻底击垮AMD。另一方面,英特尔还在众多场合上暗示Penryn将会根据AMD K8L的表现随时调整,甚至是提前发布。业界普遍认为Penryn的工作频率将很可能突破3GHz,从而在性能方面压倒K8L。


图6 Penryn内核架构图

  和英特尔高调宣布45纳米制程技术不同,AMD如今还在艰难的向65纳米制程过渡,所以AMD只是很模糊的表示45纳米制程将会在 2008年下半年问世。首个采用45纳米制程处理器的将会是代号Shanghai的AMD Opteron 4内核处理器。这款处理器将依然沿用HT 1.0总线连接,并且采用原生4内核设计,拥有6MB L3 Cache。在工作频率方面受限于K8L本身的架构,也许代号Shanghai的CPU依然难以突破3GHz。3级缓存设计、超大容量的缓存和原生4内核设计,真的能让AMD再度与英特尔抗衡吗?


图7 英特尔制程Roadmap

  结语

  谁说摩尔定律已死?在过去的十多年间半导体的发展速度正惊人的完全吻合摩尔的预言,在未来的5年中我们甚至可以预见摩尔定律依然会持续生效。但随着半导体制程逼近原子尺度,摩尔定律也将会遭遇到最为严重的挑战。在未来我们将会用上原子计算机还是生物计算机,到时候又将会有什么定律生效?我们拭目以待。

责任编辑:杨宇佳

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