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综述:英特尔与晶体管不能不说的故事

http://www.sina.com.cn 2007年12月20日 11:53  比特网ChinaByte

  比特网(ChinaByte) 12月20日综述(王培垠) 如果将我们今天所处的时空倒退60年,我们很难想象生活会变得什么样。手机、个人电脑、互联网……改变了人类的历史进程。所有的这一切,都源自于60年前一个并不起眼的发明--晶体管。

  如果将这个数字时代的历史从20世纪中期开始计算的话,我们惊奇的发现,从20世纪50年代开始,人类的历史竟然全部是晶体管发展演变的历史,而晶体管与英特尔这家逻辑IC设计制造公司的渊源就是从那个时代开始。

  今年12月16日是晶体管60周年的生日。在中国,60便是一个甲子,因此,在这个轮回中,有必要回顾一下晶体管走过的日子,以及它给人类世界带来的翻天覆地的变化。

  那么,让时光倒退到1947年12月16日。这一天,William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain三人成功的在贝尔实验室创造出人类历史上第一只晶体管。不过,这时的晶体管还是实验室产品,直到在三年后的1950年,William Shockley在此前研究的基础上开发出双极晶体管(Bipolar Junction Transistor),这才是现在通行的标准晶体管。稍加发展之后,晶体管开始准备成为数字世界的基本单位。

  之后,大约又过了十多年,到了1961年4月25日,Robert Noyce之后的英特尔公司创始人,获得了首个集成电路专利。Noyce的伙伴Gordon Moore于1965年在《Electronics Magazine》上发表了其著名的论文,文中预测,未来一个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍。Moore打开了晶体管的魔盒,巨大的能量从此得以释放。

  在20世纪50年代末的时候,最初的锗晶体管对于一些普通的电子设备如收音机、助听器或者电话来说已经足够,但是集成电路的发明,成为推动晶体管向着更小、功能更强大的方向发展的动力。

  1968年,Noyce和Moore出走Fairchild(仙童)半导体,创立了一家新的公司,就是今天的英特尔,其“Intel”也就是集成电子的缩写,即“Integrated electronics”。紧接着在1969年,英特尔成功开发出第一个PMOS硅栅晶体管技术,这项技术使得晶体管在传统二氧化硅栅介质的基础上引入新的多晶硅栅电极。在1971年,英特尔采用10微米的PMOS技术生产了第一个微处理器4004。

  英特尔的4004微处理器中仅包含了2000多个晶体管。至此,摩尔定律开始发挥其经验规律的作用,摩尔定律随着MOS晶体管尺寸、功率和性能的不断缩小而得到证明,指导微处理器的不断向前发展。

  晶体管和集成电路在人类历史上另外一个标志性的事件是在1978年,英特尔将其8088微处理器销售给IBM新的个人电脑事业部,当时的8088微处理器含有2.9万个晶体管,运行频率为5MHz、8MHz和10MHz。而IBM当时的个人电脑大获成功,英特尔通过此役,开始进入财富500强企业。个人电脑时代也就此开始。

  不过,在英特尔的发展过程中一度出现过依靠存储芯片来支撑处理器业务的发展,如果英特尔当初不幸进行了错误的选择,那么现在英特尔很难获得如此的成功。

  个人电脑时代的开端,使处理器和英特尔共同成为商业奇迹。在8088之后,就是“80后”这代人出生的那几年中,英特尔相继推出了后来人们熟知的286、386微处理器。386微处理器含有27.5万个晶体管,具备32位数据处理能力,支持多任务,所含晶体管数目是最初4004微处理器的100多倍。而晶体管遵循着Moore的预言仍在继续缩小。

  九十年代,是英特尔的“奔腾”年代,制程基础从0.8微米制程 发展到0.25微米,晶体管从刚刚跨入百万级到接近千万级。再跨过90年代,2002年奔腾4处理器的推出,晶体管数量已经超过5500万个,而制程也已经进入0.13微米。传统的制程技术已可以看到尽头,Moore也开始焦虑。

  所以,当晶体管进入21世纪开端,即将从130纳米跨入90纳米时代的时候,就曾经多次出现评论人士论断,称摩尔定律可能将失去其经验规律的效用。更重要的是,光刻技术的推进,需要更好的材料作为晶体管各种器件的支持。

  另外,千禧年前后,互联网,通信技术的大力发展,个人电脑席卷了全球,没有人不被晶体管所驱动的数字商业时代感染着,然而这时候巨大的商业需求也对晶体管提出了挑战。商业社会需要集成更多晶体管的处理器,同时还需要提高处理器的效能,减少漏电流和功耗,所以英特尔必须开始考虑改变处理器的材料。

  但是自从制程工艺达到90纳米节点以来,晶体管的物理尺寸已经接近了极限,只有通过不断缩小栅极介质的方式来继续发展,不过应变硅等技术的引入,再次缓解了矛盾,不必马上过渡到新材料的应用。

  在微处理器制程工艺达到0.13微米的时候,为了提升处理器性能,英特尔就将氮等物质掺入二氧化硅从而提高其电气性能。英特尔在2002年8月13日透露了90纳米制程技术可以生产的高性能和低功耗的新晶体管,将采用应变硅,高速铜接头和新型低K介质材料。而通过采用应变硅的方法,暂时缓解了摩尔定律面临的尴尬。

  但在90纳米之后又该怎么办? 这是英特尔面临的主要问题。应变硅这种通道应变技术,主要是将栅极介质替换延迟了。

  当栅极介质缩小到1.2纳米,大约四个硅原子层的大小就很难缩小了。这个时候,处理器在极高的主频下工作,每个晶体管开关都会产生许多漏电流,乱序电流增加了处理器电源的功耗。因此,我们回顾2003年之后的一段时间会发现,处理器功耗已经成为一个不容忽视的问题,当时主流产品的表达是:高性能等于高主频,高主频又等于高功耗。

  应变硅提高了晶体管的性能和功耗,因此可以使得处理器在没有引入革命性材料的情况下,维持了制程的发展速度。但是,不断缩小栅极介质,出现了处理器发展历史上一个需要抉择的问题。那么,要使得摩尔定律继续有效,就必须对晶体管的材料进行突破。

  当作为氧氮化合物的SiON栅极介质厚度已经不能再薄的时候,就算使得介电常数进行微小的改变,也很难提高性能。如果强行的降低厚度,漏电流过高,处理器的稳定性和可靠性将难以控制,使得处理器无法进行大规模工业生产和使用。

  所以,英特尔就在考虑,是不是在65纳米的时候,采用高K栅极介质这种新材料。但是,事实上英特尔直到45纳米代号为Penryn的产品上才采用此种材料。当然这并不是唯一的方法来解决这一问题。事实上,在英特尔采用了高k金属栅极之外,其他的一些企业任然在采用多晶硅或者一些其他的硅基混合材料,来继续降低SiON,这点英特尔其实是认可的。

  晶体管材料科学是半导体技术的核心之一,半导体技术虽然是大规模集成化的生产,不过物理化学技术以及配方却是私有产权的。有专家表示,基本到了32纳米的时候,几乎所有企业都将放弃传统方式,转向新材料应用,这只是时间的问题。因为,这个时候硅原子是无法缩放的。

  从另外一方面看,采用新材料来防止漏电流,主要是英特尔在Starting Wafer上坚持采用Bulk silicon(块状硅)才导致了这些晶体管面临的矛盾。

  原因是,块状硅的栅极存在比较大的漏电流问题。不过高k材料却解决了这一问题,限制了栅极的漏电流,因此场效应晶体管(FET)通道得到控制,可以在降低功耗的基础上提高性能。之前,英特尔就这一问题提出过观点,它认为源极与漏极之间的通道泄露比栅极到通道泄露大得多,因此,采用块状硅而不采用绝缘硅(SOI),因为它在成本上不合算。需要量产和降低成本,英特尔必须选择块状硅。

  通道泄露一度转移了业界对栅极泄露的注意力,在全球的半导体路线图上指出,到栅极漏电流达到900 A/cm2左右的时候,必须采用高k电解质。但是,英特尔45纳米晶体管栅极堆叠结构中,栅极堆叠技术可以大幅改善漏电流,传统的思维方式又可以得到继续。这也就是为什么高k金属栅极被认为是重要的创新之一。

  英特尔在引入合金材料这个问题上,采用的是双重栅极工艺,利用HfO2作为高k电介材料,把TiN用于NFET取代栅极,然后将TiN barrier与一种金属合金用于PFET取代栅极,从而同时为N型和P型器件调整栅极材料,这在未来可以带来持续的效应,可以最长时间的继续延续摩尔定律,晶体管的数量也会越来越多。

  不过需要注意的是,晶体管采用了金属栅极并不能改变SiON等效氧化物厚度,而多晶硅栅极的极限就在于多晶硅栅极的空乏层电容,使得多晶硅缺乏金属性;再加上SiON的物理缩放到达极限,因此高k介质在未来的使用肯定是必然的,那么英特尔在转向金属栅极之后,用新型电介质代替氧氮化物,是可以预见的。

  高k金属介质,还有一个优点在于,对于英特尔来说成本非常低。因为,英特尔仍然可以通过光刻技术就能在45纳米这个水平上实现。并还可以推动晶体管微缩进程,所以,已经很少出来讲话的Moore在高k金属栅极采用的时候,还出来表示这是非常重要的技术成就。

  目前,45纳米或者32纳米的阶段上,一种可能替代的方法是,采用双重高k的方式,分别为NFET和PFET优化电介质材料,但是能够无法预料能够持续多久。未来32纳米之后,英特尔以及许多其他半导体企业可能会考虑采用新材料和晶体管技术。

  当下英特尔的酷睿2四核处理器已经拥有5.8亿个晶体管,这些都是新材料和技术引入的功劳。新材料对于晶体管的改造,才使得我们的个人电脑上能够装配英特尔酷睿2处理器。

  在晶体管开关超过一万亿次的每一秒内,完成了人类需要无数时间来进行的计算。一眨眼的功夫,如今的处理器就能完成10亿次计算。每个现代人都在享受晶体管技术带来的福祉。而超大规模集成电路发展的另外的结局,就是在非常小的空间内,我们可以得到更多的功能,例如从手机到手机电视到超便携电脑等等都是晶体管材料革命带来的收益。

  未来,英特尔正在研究垂直通道的三维晶体管,以及采用沉浸式的光刻技术来创造更具性价比的晶体管,从而使得更强、更高计算性能的集成电路产品得以实现,而那个时候的功耗和产品,在今天我们很难设想。就像60年前,晶体管刚刚诞生的时候,很难想象如今科技革命带来生活的飞跃。

  对于消费者来说,看到的是“Intel inside”,而在每一个处理器内部,英特尔看到的却是无数的“Transistor inside”。

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