“我们一直在努力” 解读AMD CPU制程技术

http://www.sina.com.cn 2006年12月27日 17:13 天极yesky

姑苏飘雪　前言：

　　作为英特尔的老对手，无论是生产潜力上，还上在新技术开发上，AMD都要落后于Intel。这是一件很自然的事件，因为2个公司投资重点有很大的区别。不过，这几年过，AMD也在处理器器生产技术方面不遗余力地努力着。

“我们一直在努力”解读AMDCPU制程技术

一、AMD的90nm时代

　　在0.25微米时代，AMD与英特尔的处于相同水准，不过在转移到0.18制程时AMD开始落伍了。在感觉无法独自应付之后，AMD和摩托罗拉建立了战略合作伙伴关系。摩托罗拉拥有很多先进技术，比如Apple电脑PowerPC的芯片HiPerMOS7(HiP7)就是摩托罗拉生产的。AMD在获得授权后一下子就拥有了很多新技术，其中一部分比Intel的0.13微米生产技术更好。不过，在90nm制程应用方面，AMD仍然远远落后于Intel—它在2004年8月25日才将90nm生产技术引入到Athlon 64处理器中，整整比Intel晚了大大几个月。

“我们一直在努力”解读AMDCPU制程技术

　　在90nm技术中，AMD并没有采用英特尔所支持应变硅技术，而是使用SOI技术。SOI是Silicon－on－Insulator的缩写，称绝缘硅，是厂商为解决亚阈泄漏的问题所推出的解决方案。随着芯片特诊尺寸跨入纳米尺度后，临近半导体物理器件的极限问题接踵而来，如电容损耗、漏电流增大、噪声提升、闩锁效应和短沟道效应等。

　　为了克服这些问题，SOI技术应运而生，业界提出现在硅晶圆上嵌埋一层SiO2绝缘层，然后以此绝缘层作为基底，在表面硅层制作晶体管，这就是SOI技术。AMD在0.13微米制程中就已经采用了此技术。SOI的原理很简单：晶体管通过一个更厚的绝缘层从硅晶元中分离出来，这样做具有很多优点。

　　首先，利用SOI技术，晶体管“开”和“关”状态的切换性能提高了，而且同时在速度不变的情况下，我们可以也可以降低阈值电压或是同时提高性能和降低电压。举个例子来说，如果阈值电压保持不变，性能可以提高30％，那么如果我们将频率保持不变而将注意力集中在节能性上，那么我们也可以节省大约50％的能量。此外，在晶体管本身可以处理各种错误时，通道的特性也变得容易预计了。但SOI技术也有不足之处，它必须减小晶体管漏极/源区域的深度，这将导致晶体管阻抗的升高，而且晶体管的成本也提高了10％。

　　针对SOI所带来阻抗升高的缺点，AMD通过采用高K值的金属硅酸盐绝缘材料的二氧化硅来解决，这样将使得泄漏电流下降100倍，并可以让晶体管的性能增加20％、降低泄漏电流和门极宽度。同时AMD在其90nm制程中也引入了类似英特尔应变硅技术的DSL(DSL：Dual Stress Liner)的应变硅晶体管技术，在相同功率下，其速度比不用此技术制造的晶体管提高24％。

　　采用此技术的应变硅层厚度为20nm，同质度为±3％，其硅表面粗糙度可与优质硅体晶圆相媲美，采用这种SSOI晶圆制造的芯片电子迁移率可提高80％。应变硅加SOI技术是一种兼有应变硅技术和SOI技术优点的最具创新和竞争力的新技术，将成为制造高速、低功耗IC的首选工艺。

　　除此之外，AMD的90nm生产技术还是有独特之处，比如它可以达到9层铜制互连的水准，远高于Intel的90nm的7层铜制互连水准。更多的互连层可以在生产上亿个晶体管的CPU(比如Prescott)时提供更高的灵活性。而AMD在处理隔离晶体管之间互连的绝缘问题上具有两个选择：或是K值为3.7的氟化玻璃，或是使用K值小于3的低K值原料，即黑钻石。这一技术的影响很类似于处理器从铝变为铜的改变，这样可以让AMD使用低K值介电体来生产CPU。

　　当然，制造这样小的晶体管当然需要更为先进的蚀刻技术来支持。在当时，AMD象英特尔一样仍在使用旧的248纳米设备来制造0.09微米的芯片，只是在某些关键部位是由193纳米设备完成的，这可以在一定程度上降低成本。

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　　AMD第一款采用90nm制程的处理器是Winchester核心的Athlon 64。得益于90nm制程， Winchester核心的核心面积从Newcastle的144平方毫米下降到84平方毫米，核心电压从1.5V降到1.4V。除此以外，Winchester 核心本质上与130纳米制程的Newcastle核心并没有多大区别。最先引入Winchester 核心的是S939 Athlon64处理器，具有512KB的二级缓存和1GHz的HT。

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　　Fab 36是AMD第二座90纳米SOI工艺微处理器生产厂，它的位置与Fab 30毗邻，该厂从2003年第四季度开始动工建设，期间获得德国政府5亿4500万欧元的巨额资金援助。2005年10月份，历时两年的Fab 36厂建设正式完成，并在2006年3月份实现量产出货。但与Fab 30使用200毫米(8英寸)尺寸晶圆不同，Fab 36工厂使用面积较大的300毫米(12英寸)晶圆，无论制造成本还是产量都要优于前者。

　　在产能方面，AMD现有Fab 30厂原设计产能是每月20000张晶圆，但得益于AMD专利的自动精确生产(APM)系统，Fab 30在过去一年中生产能力大幅度提升，并最终实现每个月30000张晶圆的产能，比原设计高出50%。而Fab 36工厂目前每月可以生产13000张300毫米晶圆，AMD计划通过自动精确生产(APM)系统来提升其生产能力，并最终在2008年实现每月20000张晶圆的生产目标。

　　由于Fab 36使用300毫米晶圆，实际处理器生产能力将与Fab 30持平，届时AMD公司的处理器总产能就能够达到目前的两倍，也就是达到年产1亿枚的新高，彻底解决芯片供货不足的问题。

二、春光乍现的65nm

　　AMD的65纳米工艺照例与IBM合作推进，该工艺除了继承之前的SOI技术外，还将引入IBM自行开发的Embedded Silcon Germanium(嵌入硅锗)和Stress Memorization(强制记忆)两项创新等技术，分别用于携带正电荷的P沟道晶体管和携带负电荷的N沟道晶体管，可有效控制晶体管内的漏电流。而这两项新技术的实际效果极其惊人，AMD官方表示，采用新技术后的处理器功耗可比未采用该技术的产品降低大约40％的功耗。

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AMD基于65nm制程生产的300mm晶圆

　　除此之外，预计AMD在其65nm工艺CPU中还会使用改进的PD-SOI甚至更先进的FD(Fully-Depleted)-SOI工艺以进一步降低功耗，并继续采用应变硅技术。不过，从相关的资料来看，目前的PD-SOI技术仅仅能够阻止源极到基板的漏电，但对栅极漏电和源极到漏极的漏电没有任何防止作用；而且仅仅缩小源极与基板之间的接触电容(最多占总电容量的5%)，对导线电容和栅极电容则没有作用。

　　由于SOI工艺制造步骤复杂，成本上升了15%以上，因此AMD正在准备在未来处理器中使用SiGe技术(其实属也于SOI技术)来取代纯粹的硅来作为驱动电流的通道，功效和Intel的应变硅技术有些类似。此技术是利用Si和Ge之间4％的晶格差异，先在Si衬底上生长数微米的厚SiGe层，然后在SiGe层上沉积应变的全Si层，这种应变的Si层中的原子排列是按SiGe层的原子排列进行的，Si原子间隔稍微拉长一些，以和SiGe层晶格相匹配，从而提高应变硅的电子迁移率。

　　人们将这种应变的Si层作为MOS器件的导电沟道来提高MOS器件的工作效率，这是提高MOS器件速度最有效的革命性技术。使用此种技术这可以使粘结硅层做得更薄更均匀，其硅层厚度可达15纳米水平，而且用这种方法分离圆片时，也可把它放回到外延系统的反应室内通人化学蒸气进行原子级刻蚀，也能把硅去掉。

　　AMD此技术似乎比Intel的应变硅技术更具有优势：通过此技术，晶体管的硅晶格会根据下面的元素的晶格调整自己，并将延展一些，潜在的阻抗将会比普通的硅下降70％，而晶体管性能将提高35％。同时，AMD在其65nm制程中将引入9层铜金属与1层铝金属设计，这将可以大大扩展处理器的功能，让它成为一种令人印象深刻的技术组件。

　　总的来说，在生产技术上，AMD未来有足够的实力应对来自英特尔的压力。不过，AMD的65nm处理器仍将由最新投产的Fab 36工厂生产，这意味着AMD再次面临如何解决产能不足的难题。目前AMD已经推出了采用65nm制程的Athlon 64 X2处理器，核心代号已经升级为Brisbane。虽然在功能上没有改变，但将会在一定程度上降低AMD处理器的生产成本、功耗和更有利于频率的提升。

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采用65nm的Athlon 64 X2 4800+处理器

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CPU	Manufacturing Process	Die Size	Transistor Count
AMD Windsor	90nm	183平方毫米	154M
AMD Brisbane	65nm	126平方毫米	154M
Intel Smithfield	90nm	206平方毫米	230M
Intel Presler	65nm	162平方毫米	376M
Intel Prescott-2M	90nm	135平方毫米	169M
Intel Cedar Mill	65nm	81平方毫米	188M

CPU	Core Voltage
AMD Athlon 64 X2 5000+(90nm)	1.3000V
AMD Athlon 64 X2 4600+ EE(90nm)	1.2500V
AMD Athlon 64 X2 3800+ EE SFF(90nm)	1.0750V
AMD Athlon 64 X2 5000+ EE(65nm)	1.3500V
AMD Athlon 64 X2 4800+ EE(65nm)	1.3500V
Intel Core 2 Duo E6600(65nm)	1.2625V
Intel Core 2 Duo E6400(65nm)	1.3125V
Intel Core 2 Duo E6300(65nm)	1.3250V

三、实施中的45nm计划

　　在引入65nm生产工艺的同时，AMD也在不断进行45纳米制造工艺的计划。AMD表示实现自己的45nm工艺可以使用很多技术，AMD的技术人员说：“目前，我们正在与IBM合作开发比45nm工艺领先一代的新工艺技术中所使用的技术，比如完全空乏型SOI、金属栅极以及立体晶体管等等。不过AMD在进度上仍然落后于英特尔。

　　我们知道，目前所有处理器的高速缓存都是采用SRAM静态随机存储器，因此半导体厂商在研发新工艺时，通常都会用制造SRAM晶圆的方法来评估工艺的稳定状况。早在今年1月份，英特尔就宣布成功采用45纳米工艺制造出SRAM晶圆，这意味着在45纳米的开发进度上英特尔又一次获得领先。而AMD直到4月初才宣布成功制造出45纳米SRAM测试晶圆，时间比英特尔滞后了3个月。不过更重要的指标是SRAM测试晶圆中每个SRAM Cell的尺寸，这个数据越小、晶体管密集度越高、制造成本就越低。

　　英特尔45纳米SRAM晶圆的每个SRAM Cell大小为0.346平方微米，AMD的SRAM测试晶圆则为0.370平方微米，如果芯片面积相同，采用英特尔45纳米工艺制造的芯片就可以集成更高容量的高速缓存。AMD表示，它们将引入Z-RAM技术，可以从逻辑上将SRAM的存储密度提高5倍，言外之意是SRAM Cell尺寸的差异不能说明任何问题。

　　AMD仍是与IBM共同开发出了用于微处理器的45nm半导体制造技术。采用的主要技术除NA为1.2的液浸ArF曝光技术外，还包括相对介电常数仅为2.4的多孔质low-k膜(低介电率层间绝缘膜)以及多种应变硅晶体管等。使用SOI底板。2008年中期投产采用上述技术的45nm工艺微处理器。利用液浸ArF曝光技术，与采用ArF曝光技术相比，可提高微处理器的芯片性能和生产效率。

　　比如，微处理器中内置的SRAM单元的性能可提高约15%。SRAM的存储单元面积为0.37μm2。通过采用多孔质low-k膜，可以减少芯片内的布线容量、关键路径的布线延迟时间以及耗电量。与原来的low-k膜相比，布线延迟时间可缩短约15%。另外，通过运用多种应变硅晶体管技术，增加了单位面积的晶体管数，同时提高了晶体管性能。与未采用应变硅晶体管技术时相比，p通道晶体管的导通电流约增大80%，n通道晶体管的导通电流约增大24%。

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　　当然AMD也在考虑多门晶体管技术，不过AMD所推的是双门晶体管技术—“鳍式场效晶体管(Fin Field-Effect Transistor，FINFET)”。和Intel的三门晶体管不同，其没有上方的控制电极。双门晶体管的宽度大约为门极宽度的1/3，晶体管发送/接受电子束也要窄一些，但由于单个晶体管通道宽度大大减小对蚀刻技术提出了更高要求。但双门晶体管相对于传统的晶体管都有很多的优势，特别是它缩小了通道长度。

　　AMD并不满足于拥有Fab 30和Fab 36两座芯片工厂，AMD计划投资2亿美元在美国田纳西州的奥斯汀兴建一座面积58英亩的新工厂，但此举遭遇当地环保部门的阻挠，最终当地法院驳回环保部门的诉讼，AMD建厂计划照常进行。目前AMD没有透露更多的信息，但我们认为新工厂应该是为45纳米和32纳米时代作准备。

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