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英特尔45纳米高K半导体制程技术 英特尔45纳米高K半导体制程技术 概述 简介 技术优势 高K-金属栅极和45纳米有什么关系 酷睿处理器从性能到节能 意义 英特尔45纳米高K半导体制程技术全称为英特尔45纳米高K金属栅硅制程技术。 概述 英特尔45纳米高K半导体制程技术 英特尔45纳米高K半导体制程技术 该技术突破性的采用金属铪制作具有高K特性的栅极绝缘层，是半导体行业的重要创新。英特尔的65纳米制程升级为45纳米制程技术并非以往升级所带来的量变，而是脱胎换骨的飞跃。凭借制程的创新，英特尔迈出TICK-TOCK产品发展战略稳健的又一步，并拉开了半导体行业发展的历史新篇章。这一创新再次延续了摩尔定律，使之在未来10年继续有效。 随着英特尔45纳米半导体制程技术揭开神秘面纱，一系列采用该技术的服务器、工作站及台式机处理器同期发布。较前代产品，新产品在性能、能耗比以及经济性方面有显著提高，并将在正式发布后向市场供货。 简介 2007 年1 月初，英特尔内部就已经率先研制出了世界第一款45 纳米 CPU，是 15 款正在开发的 45 纳米处理器产品中的“老大”。凭借这一 40 年来在基础晶体管设计方面所取得的巨大成就，英特尔 45 纳米技术能够使晶体管切换速度提升 20% 以上，并使晶体管门泄漏率降低超过 10 倍[1]。 时隔一年多的时间，英特尔已经基本完成45nm制造工艺战略部署。 技术优势 预览英特尔45纳米制程技术创新 英特尔45纳米高k金属栅极晶体管技术是英特尔制造晶体管的新方法，它以一种具有高k特性的新材料作为“栅极电介质”，并采用了一种新型金属材料作为晶体管的“栅极”。向这些新材料组合的转变，标志着40多年来晶体管制造方式最重大的变革。[2] 采用英特尔45纳米高k晶体管的优势 全新英特尔45纳米高k晶体管方案通过缩小晶体管的体积解决了漏电率问题。它能降低晶体管的漏电率，帮助英特尔的工程师们在提供更高性能的同时降低处理器的能耗。笔记本电脑漏电率的降低使得能耗也随之减少，电池的使用时间更长了。 晶体管设计实现重大飞跃 通过使用包括高k门电介质和金属栅极在内的新材料组合，英特尔 45 纳米技术成为整个行业在减少晶体管电流泄漏（对芯片制造商而言，随着晶体管体积越来越小，这个问题将日益突出）征途中的一个重要里程碑。 这一晶体管技术的新突破将推动着英特尔在台式机、笔记本电脑及服务器的处理器速度方面不断开创新高。它还将确保摩尔定律（一项高科技行业公理，指出晶体管数量每两年就会增加一倍，从而实现在成本不断降低的同时带来更高性能、更多功能）在未来十年内继续发挥效力。 英特尔在新制程技术中采用的新材料 高k材料基于一种名为铪的元素，而不是以往的二氧化硅；而晶体管栅极则由两种金属元素组成，取代了硅。多数晶体管和芯片仍基于先进的英特尔硅制程技术制造。新的方案中结合了所有这些新材料，是英特尔提升处理器性能的独特手段。 采用金属铪的价值所在 铪是元素周期表中的72号元素，也是一种金属材料。它呈银灰色，具有很高的韧性和防腐性，化学特性类似于锆。英特尔之所以在45纳米晶体管中采用铪来代替二氧化硅，是因为铪是一种较厚（thicker）的材料，它能在显著降低漏电量的同时，保持高电容来实现晶体管的高性能。这项创新技术引导我们推出了新一代45纳米处理器，并为我们将来生产体积更小巧的处理器奠定了基础。 隆重推出全球首款45 纳米处理器 2007年11月16日下午，英特尔在京将与合作伙伴一道，全球同步发布创新的45纳米高K制程技术及处理器新产品。 基于全新英特尔45 纳米高k 芯片技术的第一个处理器家族将拥有众多影响软硬件性能的架构改进特性。英特尔在 45 纳米技术中也运用了 100% 无铅材料，同时仍在不断努力，以期在2008 年生产出无卤素产品，达到环境绩效目标。第一批推出的45 纳米产品家族的新成员还包括英特尔酷睿2 处理器和英特尔至强处理器家族。英特尔45nm处理器不但代表了行业内最高水平的制造工艺，其对环境的贡献也是不可磨灭的。[3] 高K-金属栅极和45纳米有什么关系 45纳米不是指的芯片上每个晶体管的大小，也不是指用于蚀刻芯片形成电路时采用的激光光源的波长，而是指芯片上晶体管和晶体管之间导线连线的宽度，简称线宽。半导体业界习惯上用线宽这个工艺尺寸来代表硅芯片生产工艺的水平。早期的连线采用铝，后来都采用铜连线了。 处理器生产工艺从早期的0.8微米，0.6微米，0.35微米，0.25微米，0.18微米，0.13微米，90纳米(0.09微米)，到今天的65纳米，即将到来的45纳米以及将来的32纳米等等。处理器(CPU)性能的不断提高离不开优秀的核心微架构的设计，而芯片生产工艺的更新换代是保证不断创新设计的处理器变为现实的基础。每一次制作工艺的更新换代都给新一轮处理器高速发展铺平了大道。因为线宽越小，晶体管也越小，让晶体管工作需要的电压和电流就越低，晶体管开关的速度也就越快，这样新工艺的晶体管就可以工作在更高的频率，随之而来的就是芯片性能的提升。 大家习惯了芯片生产工艺两年一次的更新换代，给大家的感觉好像是从65纳米到45纳米同以前从130纳米到90纳米，以及从90纳米到65纳米一样没有什么特别的。摩尔定律嘛，就是每24个月，在同样面积的硅片上把2倍的晶体管“塞”进去，循环往复…… 从单个晶体管的角度来看，为了延续摩尔定律，我们需要每两年把晶体管的尺寸缩小到原来的一半。工艺已经将晶体管的组成部分做到了几个分子和原子的厚度，组成半导体的材料已经达到了它的物理电气特性的极限。最早达到这种极限的部件是组成晶体管的栅极氧化物－－栅极介电质，现有的工艺都是采用二氧化硅(SiO2)层作为栅极介电质，如下图。大家也把源极(Source)和漏极(Drain)之间叫做沟道，在栅极氧化物上面是栅极(Gate)。 二氧化硅是什么？玻璃，水晶和石英的主要成分就是二氧化硅，它是一种良好的绝缘体。 同1995年晶体管中二氧化硅层相比，65纳米工艺的晶体管中的二氧化硅层已经缩小到只有前者的十分之一，仅只有5个氧原子的厚度了。作为阻隔栅极和下层的绝缘体，二氧化硅层已经不能再进一步缩小了，否则产生的漏电流会让晶体管无法正常工作，如果提高有效工作的电压和电流，会使芯片最后的功耗大到惊人的地步。 为了使大家更好的理解问题的实质，让我们来回顾一下晶体管的工作原理。S是指源极(Source)，D是指漏极(Drain)，G是栅极(Gate)。晶体管的工作原理其实很简单，就是用两个状态表示二进制的“0”和“1”。 源极和漏极之间是沟道(Channel)，当没有对栅极(G)施加电压的时候，沟道中不会聚集有效的电荷，源极(S)和漏极(S)之间不会有有效电流产生，晶体管处于关闭状态。可以把这种关闭的状态解释为“0”。 我们可以把栅极比喻为控制水管的阀门，开启让水流过，关闭截止水流。晶体管的开启/关闭的速度就是我们说的频率，如果主频是1GHz，也就是晶体管可以在1秒钟开启和关闭的次数达10亿次。 回到前面的问题，从65纳米开始，我们已经无法让栅极介电质继续消减变薄，而且到45纳米，晶体管的尺寸要进一步缩小，源极和漏极也靠得更近了，如果不能解决栅极向下的漏电流问题以及源极和漏极之间的漏电流问题，摩尔定律也许就此终结。 现有材料都到物理极限了，怎么办呢？英特尔的技术精英们在九十年代中期就认识到这个问题了，进一步缩小二氧化硅层是不可能的了，需要突破习惯的思维方式，寻找未知的新材料，让摩尔定律继续有效。放弃已经用了近40年的现有材料，做出这样的决定需要巨大的勇气和科学的睿智。预知结果如何，且听下回分解。 既然继续采用二氧化硅作为栅极介电质没有前途，那么就要另辟蹊径，有没有可以代替二氧化硅的材料呢？就是寻找比二氧化硅更好的“绝缘体”，用以更好的分隔栅极和晶体管的其他部分，而且替代材料需要具有比二氧化硅更高的介电常数和更好的场效应特性。 说到这里，需要先解释一下，什么是材料的高介电常数和场效应？就是材料应具有良好的绝缘属性，同时在栅极和晶体硅衬底上的通道之间(源极和漏极之间)产生很好的场效应－－就是高-K。 高的绝缘属性和高-K属性都是高性能晶体管的理想属性。K 其实是电子学的工程术语，K源于希腊文Kappa，用于衡量一种材料存储电荷(正电荷或者负电子)的能力。类比于不同吸水的材料，海绵可以吸附和存储大量的水，木头可以存储一些水分，所以海绵比木头的“K值”更高。具有高K的材料可以比其他材料能够更好地存储电荷。 确定了新的材料，要在45纳米的量产中达到设定的目标也不是一件容易的事情。其中的艰辛就不再累述。看看新的材料在“高-K 栅极介电质 金属栅极”晶体管中带来了什么样的奇特效果。 从单个数字看5倍，10倍以及20%，可能不是特别激动人心，不过我们想象一下，一颗芯片上数以亿计的晶体管，每个晶体管都能得益于这样的飞跃，那么累计提高的能效和减少的漏电量无异于“蚂蚁雄兵”，非常可观。障碍晶体管做得更小，漏电更低，能效更高以及性能更高的物理瓶颈就得以突破了。 “高-k栅介质 金属栅极晶体管是自上世纪60年代晚期推出多晶硅栅极金属氧化物半导体（MOS）晶体管以来，晶体管技术领域里最重大的突破”。英特尔公司的创始人之一，也是摩尔定律的提出者－－戈登 ?摩尔（Gordon Moore）博士给出了这样极高的评价。 酷睿处理器从性能到节能 关于“性能”和“节能”的问题争论从来就不曾停止过，尤其是广大中小企业在采购IT设备时最为关注的就是这两个方面的指标。过去，它们就像是一对儿矛盾体，是此消彼长的关系。在2000年，处理器市场发生了急剧的变化，英特尔在千禧年岁末推出了主频为1.4GHz的奔腾4处理器，一举吸引了所有关注的目光，但遗憾的是，当时的处理器并没有过多的考虑能耗问题，这一点从处理器对电源的要求变化中就能看出一些端倪： 奔腾4处理器的上市改变了电源的传统规范， 5V满足不了处理器的能耗需求，提供不了充足的电流，因此，英特尔推出了ATX12V 1.0规范，该规范改用 12V为处理器供电，放弃原来 5V供电的方案，并首次为CPU单独增加了4Pin的接口，向处理器单独供电。随后的Prescott处理器继续沿用了Netbursh架构，当处理器主频大于3.2G时功耗可达到115W，小于等于3.2G时功耗也可达84W，英特尔在2004下半年推出的3.8GHz Prescott处理器的功耗竟接近150w，这对ATX12V 1.0规范不得不说是一场灾难。为了解决功耗问题，英特尔随后又推出了ATX12V1.1、1.2、1.3版本，尽管如此，受限于电源线材的物理特性，单路12V的输出能力已经被提升到了极限，只能寻求另一种功耗解决方案，于是，英特尔推出了ATX12V 2.0规范，也就是大家常说的“双路12V电源”。该规范最大的变化就是增加了一路 12V的输出，在不影响PCI-E显卡、主板供电的前提下，通过4Pin接口专门为CPU进行供电。 2006年可以算作另一个阶段的起始点，酷睿微架构（英特尔架构）的横空出世让英特尔重回性能王者地位，最为关键的是，英特尔开始关注性能功耗比这一概念，能耗比是指PC的性能与功耗的比值，即每瓦特性能。能耗比在一定程度上反映PC的节能水平，能耗比数值越大，表示PC产品的性能越高。此外，45纳米产品的普及也让英特尔不用再担心 12V电路供电不足这样的问题，采用最新的45纳米高-k 金属栅极技术处理器的晶体管密度提升了2倍，晶体管切换率降低了30%以上，晶体管切换速度提升了20%以上，而栅极氧化物漏电功率却降低10倍以上。根据最新资料显示，英特尔32纳米制程处理器将更加的节能易用，同事在性能上也有所提升，32纳米技术是主流的45nm工艺技术的升级，它指的是半导体晶片的制造工艺技术，该技术追求更小的体积以及更高的性能，计算机从诞生以来，正是半导体晶片的制造工艺技术推动了其更新换代。在45纳米制程中，高k电介质的等效氧化层厚度为1.0纳米，而在32纳米制程中，此氧化层的厚度仅为0.9纳米，而栅极长度则缩短为30纳米。32纳米制程采用了与英特尔45纳米制程一样的置换金属栅极工艺流程，这样有利于Intel充分利用已有的成功工艺。这些改进对于缩小集成电路(IC)尺寸、提高晶体管的性能至关重要。总之，英特尔不会再去简单的追求高性能而忽视功耗，注重效能比的英特尔将会为全球中小企业带来更为易用的PC产品。[4] 意义 英特尔45纳米处理器将正式宣布量产，全球独家首次采用高k金属栅技术，英特尔为半导体制造技术带来了一次革命，从而使摩尔定律进一步得到了延伸。 摩尔定律己到终点？ 摩尔定律象一盏明灯指引着全球半导体工业进步。如今摩尔定律不仅涵盖半导体,而且己延伸至计算机,硬盘等中。40多年来的实践证明了摩尔定律具有强大的经济生存能力。 回顾半导体发展的历程，之前总是由两个轮子来推动工业的进步,一个是不断地缩小特征尺寸，由0.25微米、0.18微米、0.13微米、至90纳米及65纳米，通常每两年时间跨上一个新的台阶；另一个是增大硅片直径，由6英寸、8英寸至12英寸。业界通常总是以采用缩小尺寸优先。 更小的线宽尺寸是半导体行业努力进步的方向，线宽越小，芯片的功耗越小，另外，也可以减少芯片的面积，从而降低芯片制造的成本。 然而，线宽尺寸的缩小不可能永无止境,在CMOS晶体管工艺制造中采用二氧化硅作为绝缘材料，实质上已逼近极限。如在65纳米制程时，按等比缩小尺寸规律,二氧化硅绝缘层的厚度己降低至1.2纳米，约5个硅原子层厚度，意味着如果再继续缩小，将导致漏电及功耗急剧上升。 所以，如果半导体工艺制程技术无法不断地的改进，实际上，摩尔定律早在2002年时已经终止。 45纳米工艺制程是个分水岭 半导体业界早在多年之前已经预测到45纳米制程总有一天会到来,唯有用高k介质材料来替代传统的二氧化硅才能渡过难关。因为采用高k介质材料,(SiO的k为3.9,高k材料为20以上)从理论上相当于提升栅极的有效厚度,可以使漏电流下降到10%以下。 另外,由于高k材料的功函数通常与传统的多晶硅栅材料不匹配,所以必须用金属栅电极来替代,因此高k及金属栅材料的组合,己成为45纳米制程新的CMOS结构的分水岭。 英特尔公司此次在全球首次推出45纳米高k金属栅结构的处理器芯片其意义十分深远。首先显示英特尔公司的非凡勇气，可以比喻为”第一个敢吃磅蟹的人” ,因为由此可能直接打开通向32纳米及22纳米的通路,扫清工艺技术中的一大障碍。 所以连戈登摩尔自己也坦承，此举是CMOS工艺制程的又一里程碑,将定律又延伸了另一个10至15年。 处理器优点 与英特尔的65纳米处理器芯片比较,面积由143平方毫米,下降到107平方毫米。通俗地说每个12英寸硅片可以多产出36%的处理器芯片,其经济意义非常重要。 另外,通常在一个双核处理器芯片中容纳有4亿个晶体管(4核处理器含有8亿个晶体管)时,平均每平方毫米有373万个。 英特尔45纳米处理器芯片的优点,可以归纳为; · 芯片上晶体管密度提高两倍 · 功耗下降30% · 芯片速度提高20% · 栅极漏电流减少至十分之一 发展 英特尔已经决定取消基于45nm工艺的Havendale处理器，改为直接推出下一代32nm工艺版本，代号“Clarkdale”。 Havendale基于45nm Nehalem架构，双核心设计，同时以多芯片封装（MCP）的形式集成图形核心，原本定于2010年第一季度发布，将成为英特尔的第一颗CPU GPU二合一处理器。 不过随着32nm和第二代High-K工艺的成熟，英特尔将跳过45nm Havendale，直接应用工艺升级版新架构“Westmere”，顺便还能降低功耗。根据英特尔官方文档，32nm Clarkdale将采用LGA1156接口，支持超线程技术（双核心四线程），集成4MB三级缓存，整合内存控制器支持双通道DDR3-1333，除了集成图形核心外还支持单x16或双x8模式独立显卡，不过后者只能在Ibex Peak P55/P57芯片组上实现。 参考资料 [1] 基本介绍[引用日期：2019-07-25] [2] http://www.intel.com/cn/technology/architecture-silicon/45nm-core2/index.htm[引用日期：2019-07-25] [3] http://pc.yesky.com/278/8979278.shtml[引用日期：2019-07-25] [4] 莫大康:英特尔45纳米芯片的伟大意义[引用日期：2019-07-25] 免责声明 头条百科的词条系由网友创建、编辑和维护，如您发现头条百科词条内容不准确或不完善，欢迎您前往词条编辑页共同参与该词条内容的编辑和修正；如您发现词条内容涉嫌侵权，请通过 service@baike.com 与我们联系，我们将按照相关法律规定及时处理。 未经许可，禁止商业网站等复制、抓取头条百科内容；合理使用者，请注明来源于www.baike.com。 目录 摘要 概述 简介 技术优势 预览英特尔45纳米制程技术创新 采用英特尔45纳米高k晶体管的优势 晶体管设计实现重大飞跃 英特尔在新制程技术中采用的新材料 采用金属铪的价值所在 隆重推出全球首款45 纳米处理器 高K-金属栅极和45纳米有什么关系 酷睿处理器从性能到节能 意义 处理器优点 发展 参考资料
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