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菜鸟成长手册:45纳米CPU制作工艺完全解析

http://www.sina.com.cn 2007年05月16日 10:08  太平洋电脑网
作者:亮仔

  前言:

    CPU的发展史也可以看作是制作工艺的发展史。如果想要提高CPU的性能,那么更高的频率、更先进的核心以及更优秀的缓存架构都是不可或缺的,而此时自然也需要以制作工艺作为保障。几乎每一次制作工艺的改进都能为CPU发展带来最强大的源动力,无论是Intel还是AMD,制作工艺都是发展蓝图中的重中之重,如今处理器的制造工艺已经走到了45纳米的新舞台,它将为新一轮CPU高速增长开辟一条康庄大道。

  很多用户都对不同的CPU的制作工艺非常熟悉,然而如果问他们什么是制作工艺,65纳米、45纳米代表的是什么,有什么不同,这些问题他们未必能够准确地解答,下面我们就一起来详细了解一下吧。

一、铜导互连的末代疯狂:45纳米制作工艺

  几乎每一次制作工艺的改进都会给CPU发展带来巨大的源动力。以如今炙手可热的Pentium4为例,从最初的0.18微米到随后的65纳米,短短四年中我们看到了惊人的巨变。如今,45纳米制作工艺再一次突破了极限,这也被视为是铜导互连技术的最终畅想曲。

  1.制作工艺的重要性

  早期的微处理器都是使用0.5微米工艺制造出来的,随着CPU频率的增加,原有的工艺已无法满足产品的要求,这样便出现了0.35微米以及0.25微米工艺,不久以后,0.18微米、0.13微米以及90纳米制造的处理器产品也相继面世。另外一方面,早期芯片内部都是使用铝作为导体,但是由于芯片速度的提高,芯片面积的缩小,铝线已经接近其物理性能极限,所以芯片制造厂商必须找出更好的能够代替铝导线的新的技术,这便是我们常说的铜导技术。铜导线与铝导线相比,有很大的优势,具体表现在其导电性要优于铝,而且电阻小,所以发热量也要小于现在所使用的铝,从而可以有效地提高芯片的稳定性。我们今天所要介绍的65纳米技术也是向着这一方向发展。

菜鸟成长手册:45纳米CPU制作工艺完全解析
Intel在IDF 2007上骄傲地展示45nm工艺

  光刻蚀是目前CPU制造过程当中工艺非常复杂的一个步骤,其过程就是使用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕,由此改变该处材料的化学特性。这项技术对于所用光的波长要求极为严格,需要使用短波长的紫外线和大曲率的透镜,刻蚀过程还会受到晶圆上的污点的影响。每一步刻蚀都是一个复杂而精细的过程,设计每一步过程的所需要的数据量都可以用10GB的单位来计量,而且制造每块处理器所需要的刻蚀步骤都超过20步。制作工艺对于光刻蚀的影响十分巨大,这也就是CPU制造商疯狂追求制作工艺的最终原因。

  2.何谓45纳米制作工艺

  我们通常所说的CPU纳米制作工艺并非是加工生产线,实际上指的是一种工艺尺寸,代表在一块硅晶圆片上集成所数以万计的晶体管之间的连线宽度。按技术述语来说,也就是指芯片上最基本功能单元门电路和门电路间连线的宽度。以90纳米制造工艺为例,此时门电路间的连线宽度为90纳米。我们知道,1微米相当于1/60头发丝大小,经过计算我们可以算出,0.045微米(45纳米)相当于1/1333头发丝大小。可别小看这1/1333头发丝大小,这微小的连线宽度决定了CPU的实际性能,CPU生产厂商为此不遗余力地减小晶体管间的连线宽度,以提高在单位面积上所集成的晶体管数量。采用45纳米制造工艺之后,与65纳米工艺相比,绝对不是简单地令连线宽度减少了20纳米,而是芯片制造工艺上的一个质的飞跃。

菜鸟成长手册:45纳米CPU制作工艺完全解析
Intel展示45纳米工艺的晶元

  如今最新的45纳米制造工艺可以在不增加芯片体积的前提下,在相同体积内集成多将近一倍的晶体管,使芯片的功能得到扩展。毫无疑问,信位宽度越小,晶体管的极限工作能力就越大,这也意味着更加出色的性能。对于Core架构的Intel处理器而言,更高的主频有着很大的意义,而且新的制作工艺令集成更多缓存变得轻而易举。下表是历代微处理器与制作工艺发展之间的关系:

微处理器 制作工艺 工作主频中位数 二级缓存
40486 0.5微米 50MHz
Pentium 0.35微米 133MHz 无(主板外置)
PentiumII 0.25微米 333MHz 512KB(芯片外置)
PentiumIII 0.18微米 750MHz 256KB
Pentium4(Northwood) 0.13微米 2.6GHz 512KB
Pentium4(Prescott) 90纳米 3.0GHz 2MB
Core 2 65纳米 预测3.0GHz 2~4MB
Penryn 45纳米 45纳米 预测4.0GHz 2~8MB

菜鸟成长手册:45纳米CPU制作工艺完全解析
首次采用0.35微米制作工艺的Pentium让人记忆犹新

  3.第三代单轴应变硅隧道

  此次Intel在启用45纳米制作工艺时还引入了极为重要的改进型SOI变形硅技术,也就是第三代单轴应变硅隧道,这对于更好地改善电气性能有着极大的帮助。CPU所集成的晶体管是一个小开关,决定了电流的通与断,而在现实世界中,我们无法完全地控制电流,必须借助一些附加技术。SOI(Silicon-on-insulator,绝缘体硅片)就是为了防止泄漏电流和停止电流活动而设计的,变形硅则刚好相反,是为了驱动电流流动而设计的。事实上,SOI 与变形硅技术总是需要同时使用。

  第三代单轴应变硅隧道将待变形硅片放在一种特殊的硅锗底基上,这种硅锗底基的原子间距离比待变形硅片原子间距离大,受底基原子作用,硅片中的原子也将向外运动,彼此间拉开距离,从而减少对电流的阻力。SOI变形硅有效地扩展了晶体管通道区域,把硅直接放到底层的顶部,可以预留更多的空间,更好地扩展到底层上,使上面的硅原子直接和低层相匹配,延伸硅元素到合适的通道中。硅原子有更多的空间后,电阻减少了,增加了电流通过的数量。最终结果是使电流流动强度提高了10~15%,或者使当前的电流更加顺畅,从而提高了晶体管的运行速度,提高了芯片的工作频率。

  4.45纳米工艺的巨大价值

  可以很明显地看出来,每次提高制作工艺都能够让主频大幅度提升,而二级缓存的容量也几乎是以倍增的方式来回报更先进的制作工艺。提升制作工艺意味着巨额的资金投入,改造一条芯片生产线往往需要花费数十亿美金,如果没有庞大的财力,将无法完成这样的任务。然而任何产业都是高投入带来高回报,一旦彻底掌握先进的制作工艺,CPU等产品的制造成本也能下降,反而带来更大的盈利空间。对于同样晶体管规模的半导体芯片,新工艺意味着更小的核心面积,而芯片的制造成本与核心面积的平方基本成正比。

  几乎在每次制作工艺的改进过程中,Inte都领先了一步,IBM、摩托罗拉、AMD、TI、富士通、台积电、联电等半导体企业总是落后半拍。目前Intel已经成功地将45纳米应用于现实产品,而AMD和台积电等其它厂商都仅仅停留在“纸上谈兵”的层面。对于AMD而言,目前仅仅刚刚过渡到65纳米制作工艺,45纳米的暂缓使用将会再次使之无法赢得与Intel处理器之间的主频大战,从而令性能比拼处于相对被动的局面。然而目前紧盯65纳米制作工艺的不仅仅是Intel,包括AMD、VIA、摩托罗拉等CPU制造商也在不断努力,富士通、台积电、联电等专业代工厂商更是十分努力。从当前的发展趋势来看,第一款65纳米处理器将很可能出现在2007年年底或者2008年年初,而AMD则需要到2008年第二季度才会跟进。

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