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    ◆ 22nm 3D晶体管:摩尔定律拯救者

      1965年仙童半导体公司的工程师戈登·摩尔撰文指出半导体电路集成的晶体管数量将每年增加一倍,性能提升一倍,之后又修正为每两年增加一倍,这就是著名的摩尔定律。

      戈登参与创建的Intel公司更是将摩尔定律视为克敌制胜的法宝,40多年来坚持不懈地每隔一两年就推出新一代CPU产品,累积到现在其CPU在工艺和性能上基本上没有对手了。面对摩尔定律是否会失效的争议,Intel也总是站在第一线为摩尔定律辩护,最新的成果的就是革命性的3D晶体管工艺。

      2011年5月4日正式公布这一技术时,Intel的官方新闻稿开头就提到了3D晶体管工艺将推动摩尔定律继续向前发展,业界普遍认为这是半导体工艺数十年来决定性的进步,不亚于一场工艺革命。

      为了更好地让大众了解3D晶体管工艺的优势,Intel当时还做了视频宣传,这里是优酷的链接,没看过的推荐去看一下。

      另外,作为技术立身的企业,Intel不仅产品做的好,广告,视频做的也很好,很有科幻电影的味道。另外,在这样重要的场合,出场的不是CEO、CFO这样的领导,而是技术部门的科学家,仅这一点就让人十分佩服。

      从Intel宣布3D晶体管工艺到Ivy Bridge正式上市有一年左右的间隔,不过Intel真正在3D晶体管工艺花费的时间可不止一年,从2002年制造出单鳍式晶体管算起,整个技术研发时间就有6年,再到Development发展以及最后量产制造,总时间不下十年。


    Intel在3D晶体管工艺上花了十年时间才完成

      严格来说我们称之为3D晶体管并不准确,它应该是3D Tri-Gate三栅极晶体管,也有称为FinFET。与传统的半导体工艺相比,其制造出的晶体管外观看起来没有太大变化,好像就多了一道栅栏(Fin)而已,而就是栅栏改变了晶体管的电流传输方式。

      电子的一些基本原理:晶体管的开关状态决定着电流通过与否,也就是计算机0、1信号的来源,活动状态的电流决定了CPU的功耗,关闭状态下的漏电流决定了CPU的功耗效率,而开关速度决定了CPU的频率,也就是性能。

      理论上开关速度越快越好,漏电流越低越好,但是随着工艺的进步,晶体管之间的间隔越来越小,漏电流也越来越大(这又是一个量子力学的问题了),过多的浪费会导致CPU的功耗和发热不易控制,晶体管频率也提不上去。


    传统工艺制造的晶体管(左)与3D晶体管(右)模型对比

      上图中黄色带状成为“Drain”,左侧的图中它与Gate只是底部接触,在之前45nm工艺时代,为了减少漏电流,Intel使用的HKMG(高K金属门)就是填充在Drain漏极与Gate栅极之间的。在3D晶体管上,Drain看起来就是拔高了位置,立起来了。

      原先制造出的电路可以看成条状的,现在的3D晶体管电路之后更像是网状的。


    实际的晶体管对比就是这样


    添加颜色标记的3D晶体管


    3D晶体管的电流通过方向更多了

      传统的晶体管只有一个电流通过方向,3D晶体管多了一个Fin(鳍片),与栅极接触的就是三个方向,电流可以从Fin上方以及左右两侧通过,这也是为什么称之为3D立体的原因。


    Fin的数量可以根据需要调整(点击放大)

      Fin的数量并不局限于一个,可以根据需要调整,Fin越多,通道数就越多。

      实际电子学或者物理学解释非常复杂,我解释不了,大家也没兴趣听,Intel的PDF上也算是形象化地阐述了3D晶体管的概念。

      设计上是这样了,那么3D晶体管有什么好处。简单来说,3D晶体管可以通过的电流更大,而硅基电压不再影响晶体管关闭时的电流,因此漏电流更容易控制,这样一来工作电压也不需要那么高了。


    优势一:漏电流大大减少


    优势二:开关速度提高,相比32nm工艺最高有37%提升


    3D晶体管工艺优势

      Intel自己总结的新工艺优势是:与Bulk、半耗尽型PDSOI、全耗尽型FDSOI工艺相比,较低的电压下性能提升37%,同性能下功耗减少50%;提高了晶体管开关速度;对于给定的晶体管则有更高的驱动电流;成本上只增加了2-3%,相比FDSOI工艺增加10%的成本而言大大降低。


    Intel八家晶圆厂中有五家已经新建或者升级到22nm工艺

      Intel 3D晶体管工艺将从Ivy Bridge使用的22nm节点正式启用,8家晶圆厂中已有5家完成了建设或者升级工作,3D晶体管时代已经来了。

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    • 我匿名了  2012-04-24 11:19

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    • 我匿名了  2012-04-23 12:40

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