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英特尔发布晶体管技术重大突破
英特尔发布晶体管技术重大突破
为40年来计算机芯片之最大革新
采用全新45纳米晶体管生产出首批处理器原型
将加速多核计算时代的进程
（2007年1月29日，中国北京）今天，英特尔公司宣布在基础晶体管设计方面取得了一个最重大的突破，采用两种完全不同以往的晶体管材料来构建45纳米晶体管的绝缘“墙”和切换“门”。在下一代英特尔®酷睿™2双核、英特尔®酷睿™2四核以及英特尔®至强®系列多核处理器中，将置入数以亿计的这种微观晶体管或开关。英特尔公司同期宣布已有五种早期版本的产品正在运行，这是公司计划中的15款45纳米处理器产品的第一批。
Intel工程师展示45纳米SRAM测试晶圆
在台式机、笔记本和服务器领域，晶体管技术的提升使得公司能够继续创造出处理器计算速度的全新纪录；同时会减少晶体管的漏电量。这种漏电会影响芯片和PC的设计、规格、功耗、噪音以及成本。同时，这一突破也会保证摩尔定律在下一个十年继续有效。摩尔定律是高科技产业的基本规律，即晶体管数量每两年翻一番。
英特尔公司相信，生产出新一代45纳米系列产品（研发代码为Penryn）中的首批可工作45纳米处理器，标志着英特尔在半导体产业领先至少一年。面向五大不同计算机细分市场的早期45纳米处理器版本，正在运行Windows*
Vista*, Mac OS X*, Windows* XP 和 Linux等操作系统以及其它应用程序。英特尔按计划将在2007年下半年交付投产45纳米处理器。
英特尔在45纳米晶体管中创造性地采用全新高-k栅介质和金属栅极材料
英特尔率先将新材料创新性地组合，在其45纳米制程技术方面极大地减少了晶体管漏电量，同时提高处理器性能。英特尔将采用专有的新型高-k介质材料作为晶体管栅介质，同时采用新型金属材料组合作为晶体管栅电极。
“采用高-k栅介质和金属栅极材料，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，”英特尔公司联合创始人戈登•摩尔（Gordon
Moore）指出。
晶体管是处理数字世界0、1组合的微型开关。栅用来打开或闭合晶体管，而栅介质是用来将栅从电流通道隔离出来的绝缘体底层。金属栅极和高-k栅介质的组合使晶体管漏电量非常低，性能大为提升。
45纳米SRAM测试晶圆
45纳米SRAM测试晶圆放大图
“随着越来越多的晶体管被集成到一个硅晶片上，业界一直在研究电流泄露问题的解决方案，”英特尔高级院士Mark
Bohr指出：“我们的工程师和设计人员已经取得了重大突破，确保了英特尔在产品和创新方面的领导地位。我们在45纳米制程技术方面采用了新型高-k栅介质和金属栅极晶体管，将帮助英特尔公司针对我们已经成功推出的英特尔酷睿2和至强系列处理器，推出速度更快、能效更高的多核产品，并使摩尔定律在下一个十年继续发扬光大。”
相比较而言，一个人类红血球表面即可容纳大约400个英特尔公司的45纳米晶体管。就在10年前，当时最先进的制程技术还是250纳米的，当时晶体管尺寸约是以英特尔今天宣布的技术实现的晶体管尺寸的5.5倍，面积约为现在的30倍。
根据摩尔定律，一个芯片上的晶体管数量每两年几乎翻一倍。因此，英特尔有能力创新并集成产品，加入更多特性和计算处理核心，提高性能，并降低制造成本和单个晶体管生产成本。为保持创新速度，晶体管必须不断缩小。但是，使用现有的材料，晶体管的缩小能力几乎已经达到极限，因为随着晶体管尺寸已经达到原子级，功耗和发热的问题日益严重。因此，采用新材料已经成为摩尔定律和信息时代经济学未来发展的必然要求。
英特尔45纳米制程技术中的高-k栅介质和金属栅极材料
采用氧化硅制造晶体管栅介质已有40余年，主要是由于其可加工能力，并且随着氧化硅被加工得越来越薄，晶体管性能也取得了稳步提高。英特尔在其此前的65纳米制程技术中，已经成功将氧化硅栅介质的厚度缩小至1.2纳米（相当于五个原子层），但是不断缩小也使栅介质的漏电量逐步增加，导致电流浪费和不必要的发热。
晶体管栅漏电与不断变薄的氧化硅栅介质有关，这一点已经被业界视为过去10年来摩尔定律面临的最大技术挑战之一。为解决这一棘手问题，英特尔公司在栅介质中采用厚度更大的铪基高-k材料取代氧化硅，与过去40多年中一直使用的氧化硅相比较，漏电量减少了10多倍。
45纳米高-k栅介质和金属栅极层叠
由于高-k栅介质与当今的硅栅电极不兼容，因此，英特尔45纳米晶体管材料的另一方面是开发新的金属栅极材料。虽然英特尔采用的特定金属仍未公开，但可知的是，英特尔将在晶体管栅电极中采用不同金属材料的组合。
在英特尔45纳米制程技术中，高-k栅介质与金属栅极的组合，使驱动电流或晶体管性能提高了20%以上。同时，使源极-漏极漏电降低了5倍以上，大幅提高了晶体管的能效。
英特尔公司的45纳米制程技术也使晶体管密度比上一代制程提高了大约两倍，使英特尔能够增加总体晶体管的数量或缩小处理器的大小。由于45纳米晶体管远小于上一代晶体管，因此，晶体管开关所需能量也大为减少，使主动切换耗电大约降低了30%。英特尔在45纳米接头中将采用低-k电介质的铜线，也是为了提高性能、降低功耗。同时，英特尔也将采用创新的设计规则和先进的掩模技术，拓展193纳米干式光刻技术的应用来制造其45纳米处理器，这主要得益于其成本优势和较高的可加工能力。
Penryn系列处理器将带来更高能效表现
英特尔公司每隔一年即推出一代新制程技术和新的微体系架构，Penryn系列处理器秉承英特尔酷睿微体系架构优势，是英特尔高节奏技术进程中的下一步。英特尔以领先的45纳米制程技术、大批量生产能力以及领先的微体系架构设计，已经开发出首批可实用的45纳米制程Penryn处理器样品。
Penryn 晶粒
英特尔正在开发的45纳米制程产品超过15种，涵盖台式机、笔记本、工作站和企业版产品领域。45纳米双核处理器中含有4亿多个晶体管，四核处理器中含有8亿多个晶体管，Penryn系列处理器采用了全新的微体系架构特性，拥有更强的性能和电源管理能力，更高的核心速度以及高达12兆字节的缓存。Penryn系列处理器的设计也带有大约50条新的英特尔SSE4指令，拓展了针对媒体和高性能计算应用的能力和性能。
计划生产45纳米芯片的美国亚利桑那Fab32工厂外观
英特尔公司是芯片创新、开发技术、产品与计划的
全球领先厂商，致力于不断提高人们的工作和生活水平。如欲了解有关英特尔的更多信息，请访问：www.intel.com/pressroom。
英特尔、酷睿、至强、是英特尔公司及其在美国和其他国家（地区）的子公司之商标或注册商标。
* 文中涉及的其它名称及商标属于各自所有者资产。
60年持续创新，晶体管越来越小
60年持续创新，晶体管越来越小
英特尔45纳米制程技术为晶体管带来巨大改变
自从1947年第一个晶体管发明以来，科学技术一直在迅猛发展，为更高级、更强大、成本效益和能效更高的产品发明铺平了道路。尽管进步巨大，但是晶体管发热和电流泄露问题始终是制造更小的晶体管、让摩尔定律持久发挥效力的关键障碍。毫无疑问，过去40年一直用来制造晶体管的某些材料需要进行替代。
英特尔公司已经开发出应用于其45纳米晶体管的新型材料，当这些材料组合在一起时，就可制造出一种漏电率极低、性能极高的晶体管。英特尔采用45纳米制程技术开发出首批可工作的处理器——这些处理器是英特尔下一代英特尔®酷睿™2和至强®系列处理器中Penryn系列的一部分。通过这些处理器的开发，英特尔已经成功地解决了阻碍摩尔定律发展的一些重大障碍。消除这些障碍将最终制造出能效更高、成本更低、性能更强的计算产品，应用于从笔记本、移动设备到台式机和服务器不一而足。
在晶体管诞生60周年来临之际，让我们来回顾一下晶体管的发展历史及其重要里程碑，因为英特尔的45纳米技术创新催生了新的半导体技术，并将把摩尔定律带入下一个10年。
• 1947年12月16日：威廉•邵克雷（William Shockley）、约翰•巴顿（John Bardeen）和沃特•布拉顿（Walter
Brattain）成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。
• 1950年：威廉•邵克雷开发出双极晶体管（Bipolar Junction Transistor），这是现在通行的标准的晶体管。
• 1953年：第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。
• 1954年10月18日：第一台晶体管收音机Regency TR1投入市场，仅包含4只锗晶体管。
• 1961年4月25日：第一个集成电路专利被授予罗伯特•诺伊斯（Robert Noyce）。最初的晶体管对收音机和电话而言已经足够，但是新的电子设备要求规格更小的晶体管，即集成电路。
• 1965年：摩尔定律诞生。当时，戈登•摩尔（Gordon
Moore）预测，未来一个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍（10年后修正为每两年），摩尔定律在Electronics Magazine杂志一篇文章中公布。
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1968年7月：罗伯特•诺伊斯和戈登•摩尔从仙童（Fairchild）半导体公司辞职，创立了一个新的企业，即英特尔公司，英文名Intel为“集成电子设备（integrated
electronics）”的缩写。
• 1969年：英特尔成功开发出第一个PMOS硅栅晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质，但是引入了新的多晶硅栅电极。
• 1971年：英特尔发布了其第一个微处理器4004。4004规格为1/8英寸 x 1/16英寸，包含仅2000多个晶体管，采用英特尔10微米PMOS技术生产。
• 1978年：英特尔标志性地把英特尔8088微处理器销售给IBM新的个人电脑事业部，武装了IBM新产品IBM
PC的中枢大脑。16位8088处理器含有2.9万个晶体管，运行频率为5MHz、8MHz和10MHz。8088的成功推动英特尔进入了财富（Forture）
500强企业排名，《财富（Forture）》杂志将英特尔公司评为“七十大商业奇迹之一（Business Triumphs of the Seventies）”。
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1982年：286微处理器（又称80286）推出，成为英特尔的第一个16位处理器，可运行为英特尔前一代产品所编写的所有软件。286处理器使用了13400个晶体管，运行频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。
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1985年：英特尔386™微处理器问世，含有27.5万个晶体管，是最初4004晶体管数量的100多倍。386是32位芯片，具备多任务处理能力，即它可在同一时间运行多个程序。
• 1993年：英特尔®奔腾®处理器问世，含有3百万个晶体管，采用英特尔0.8微米制程技术生产。
• 1999年2月：英特尔发布了奔腾®III处理器。奔腾III是1x1正方形硅，含有950万个晶体管，采用英特尔0.25微米制程技术生产。
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2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，高性能桌面台式电脑由此可实现每秒钟22亿个周期运算。它采用英特尔0.13微米制程技术生产，含有5500万个晶体管。
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2002年8月13日：英特尔透露了90纳米制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。
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2003年3月12日：针对笔记本的英特尔®迅驰®移动技术平台诞生，包括了英特尔最新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。该处理器基于全新的移动优化微体系架构，采用英特尔0.13微米制程技术生产，包含7700万个晶体管。
• 2005年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”诞生，含有2.3亿个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程技术生产。
• 2006年7月18日：英特尔®安腾®2双核处理器发布，采用世界最复杂的产品设计，含有17.2亿个晶体管。该处理器采用英特尔90纳米制程技术生产。
• 2006年7月27日：英特尔®酷睿™2双核处理器诞生。该处理器含有2.9亿多个晶体管，采用英特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。
• 2006年9月26日：英特尔宣布，超过15种45纳米制程产品正在开发，面向台式机、笔记本和企业级计算市场，研发代码Penryn，是从英特尔®酷睿™微体系架构派生而出。
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2007年1月8日：为扩大四核PC向主流买家的销售，英特尔发布了针对桌面电脑的65纳米制程英特尔®酷睿™2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔®酷睿™2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。
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2007年1月29日：英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质和金属栅极。英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器——英特尔®酷睿™2双核、英特尔®酷睿™2四核处理器以及英特尔®至强®系列多核处理器的数以亿计的45纳米晶体管或微小开关中用来构建绝缘“墙”和开关“门”，研发代码Penryn。采用了这些先进的晶体管，已经生产出了英特尔45纳米微处理器。
** 英特尔、酷睿、至强、是英特尔公司及其在美国和其他国家（地区）的子公司之商标或注册商标。
英特尔高-k栅介质、金属栅极晶体管专业词汇
基本的CMOS晶体管
晶体管：一种简单的开关装置，可处理电子数据中的0、1组合。数字芯片，例如微处理器，含有数百万此类通过铜线以特定方式连接在一起的晶体管。目前的英特尔®酷睿™2四核处理器包含超过5亿个晶体管。随着技术的进步，业界的目标是制造出规格更小、速度更快、成本更低、耗电更少的晶体管。所有这些目标都将产生更强大的芯片。电流是否从源极到漏极，取决于栅电压的高低，很大程度上类似一个电灯开关的状态（开或关）控制着电流是否流向灯泡。
源极：晶体管中电流产生的部分。它包含涂层硅（doped silicon），即掺杂某些降低电阻杂质的硅。
漏极：晶体管中电流流向的部分。这一部分和源极一样，掺杂一些杂质。晶体管是绝对对称的，即电流可以从源极流向漏极，也可从漏极流向源极。
栅（又称栅电极）：栅是晶体管顶端的区域，其电流状态决定着晶体管是打开还是闭合。传统上，栅的制作材料是多晶硅或原子随意排列且不形成网格状结构的硅。
通道：通道是源极和漏极之间的区域，当晶体管处于打开状态时，电流流经通道。它包括晶体状态的硅，即以网格状有序排列结构的硅。
栅介质：位于栅下方、用来隔离栅和沟道的一层薄层。在今天的芯片中，栅介质包含二氧化硅。
二氧化硅：二氧化硅是包括一个硅原子和两个氧原子的分子，组成良好的绝缘体（不导电体）。对于一种栅介质而言，一层薄薄的二氧化硅可实现较高性能。问题在于二氧化硅层越薄，其泄露的电量越大。因此，人们致力于采用保持其属性但无需如此之薄的新材料取代二氧化硅。
高-k（高介电值）材料：一种可取代二氧化硅作为栅介质的材料。它具备良好的绝缘属性，同时可在栅和硅底层通道之间产生较高的场效应（即高-k）。两者都是高性能晶体管的理想属性。k（实际上是希腊文Kappa）是一个工程术语，描述一种材料保有电荷的能力。类比海绵：海绵可以保有大量水分。木头可以保有一些水分，但不是这么多。玻璃根本无法保有水。同样，有些材料比其他材料能够更好地存储电荷，因此，拥有更高的“k”值。另外，由于高k材料比二氧化硅更厚——同时保持着同样理想的属性，因此，它们可以大幅减少漏电量。
漏电：流经栅介质的电流。在理想状态下，栅介质是完美的绝缘体。但是，由于它越来越薄（在英特尔65纳米制程中，其厚度仅相当于5个原子层），因此，电流透过栅介质而发生泄漏。由此导致不太理想的结果：晶体管无法发挥应有的作用，消耗的电量超过期望。类比可想象水龙头漏水造成的浪费。
NMOS晶体管（又称N型晶体管）：一种当栅处于较高电压时打开、栅处于较低电压时闭合的晶体管。
PMOS晶体管（又称P型晶体管）：一种与NMOS晶体管相对的晶体管，当栅处于较高电压时闭合，而栅处于较低电压时打开。
CMOS晶体管（互补型金属氧化物半导体）：一种制程技术，NMOS和PMOS晶体管在其中共存。所有现代逻辑芯片，例如微处理器和芯片组，都是用CMOS，因为它能够以较低的成本实现较高性能和较低电耗的双重指标。
阀值电压：用以区分晶体管是否闭合的高、低电压之间的电压水平。对于NMOS晶体管而言，如果其栅在阀值电压之上，晶体管为打开；如果低于阀值电压，晶体管为闭合。PMOS晶体管显示了一种相对的属性。晶体管的设计是基于较低的阀值电压，因为这样才能产生较高的性能（类似重心较低的赛车）。
阀值电压钉扎效应（又称费米能级钉扎效应）：当高K栅介质与多晶硅栅电极结合时产生的两种不良效应之一。由于在栅介质/栅电极边界产生的某些瑕疵，人们很难将阀值电压调整到较低值，而低阈值电压却是晶体管高性能所需要的。如果栅电极是一种特定金属而非多晶硅时，这一问题就会迎刃而解。用于NMOS和PMOS晶体管的金属栅极材料不同。
声子散射：高K栅介质与多晶硅栅电极结合时产生的第二种不良效应。这种现象限制了电极的移动性，因此降低了晶体管性能。当由特定金属制成的栅取代多晶硅栅，并且采用正确的制程配方时，问题就会消失。
摩尔定律：摩尔定律是英特尔的联合创始人戈登•摩尔（Gordon
Moore）所做出的预测（并非真的法律），即一个芯片上容纳的晶体管数量每两年翻一倍。英特尔的微处理器已经近似严格遵循了这一定律，1971年代码为4004的产品中仅有2000多个晶体管。今天，安腾®2处理器中的晶体管数量已经跃升至4.1亿个。总体上，晶体管的密度基本上随着每一代新的制程技术而翻倍，时间上大约为每隔两年。
应变硅：应变硅是一项晶体管加速技术。如上所述，硅底层通道中的硅原子以网格状结构排列。拉伸网格使硅原子比其天然状态下相互之间的距离加大，会使NMOS晶体管切换速度更快（同样，挤压网格也会略微加快PMOS晶体管），这一点人们已经熟知几十年。这种拉伸/挤压即被称为应变。英特尔采用特殊技术应变其90纳米制程NMOS和PMOS晶体管，以提高其性能。
低-k（低介电值）介质：低-k介质用来隔离芯片上的接头，不应与高-k介质相混淆。在半导体栅介质中，高-k会以较低漏电率获得较高性能；而在接头中，低-k会加快信号传输速度。
绝缘硅（SOI）：绝缘指在晶体管制造时采用硅-绝缘体-硅基而不是简单的体硅基。一些公司宣称从绝缘硅中获得比体硅（bulk
silicon）更好的性能和/或功耗。英特尔的分析显示，这种性能提升或功耗降低——如果存在的话——十分有限，且无法弥补绝缘硅片增加的成本。英特尔从未使用、也没有计划使用已经部分耗尽的绝缘硅（PD-SOI），而其他公司正在使用。但是，英特尔正在探索另外一种全耗尽的绝缘硅（FD-SOI），这种绝缘硅目前没有被任何一家芯片制造商采用。
三栅极晶体管：英特尔指定的未来制程技术的新型候选晶体管。本文此前描述的晶体管为平面晶体管。即，这些晶体管具有唯一的平面栅，与硅基的表面平行。三栅极晶体管采用全新三维结构，栅围绕硅通道的三个表面。传统的平面晶体管可比作平顶山（山顶平面、山壁直立的山脉）顶部的公路，电子信号像汽车一样在山顶平面上穿越；而新型的、提升的三维设计，电子信号不仅可以在山顶平面上穿越，而且可以沿着直立山壁行驶，因此被命名为三栅极。
静态随机访问存储器（SRAM）：SRAM是一种比一般动态随机访问存储器速度更快、可靠性更高的存储器。静态一词指SRAM无需像动态随机访问存储器一样进行刷新。动态随机访问存储器支持约60纳秒的访问时间，但是静态随机访问存储器支持的访问时间降低至10纳秒。此外，其周期时间远比DRAM要短，因为SRAM无需在两次访问之间进行停顿。
45纳米：半导体技术的下一个里程碑。45纳米制程使芯片电路具备比当今最先进的生产工艺更高的每瓦特性能。未来，采用45纳米制程将使芯片以同样面积容纳的半导体数量翻倍。45纳米技术将使半导体切换速度提高20%，半导体电流泄露减少5倍。英特尔采用45纳米制程技术制造下一代领先的处理器，包括英特尔®酷睿™2双核处理器和英特尔至强™处理器系列。
45纳米到底如何小而强大？
1纳米=10亿分之一米；或者说 1纳米=0.0000000001米
1947年贝尔实验室制造的第一个晶体管可握在手中，而英特尔制造的全新45纳米晶体管仅在一个红血球细胞表面即可容纳数百个。
如果一所房子缩小为一个晶体管大小，不借助显微镜你根本无法看到这所房子。要看到45纳米大小的晶体管，你需要借助非常先进的显微镜。
英特尔即将推出的下一代45纳米处理器（研发代码：Penryn）中，一个晶体管的价格仅相当于1968年时一个晶体管平均价格的百万分之一。如果汽车价格以同样的速度下滑，今天一部新车的价格将仅为1美分。
你可以在一根人类的头发宽度上摆放2000多个45纳米晶体管。
你可以在一个针头上摆放3万多个45纳米晶体管，加起来约合150万纳米。
本文一个小数点（直径约为0.1毫米或10万纳米）可填入2千多个45纳米晶体管。
一个45纳米晶体管可在1秒钟内切换约3千亿次。一个45纳米晶体管开关一次所需时间，仅相当于以光速（每秒30万公里）穿行0.1英寸所需的时间。
45纳米的规格比较
o 1个指甲的长度 = 2千万纳米
o 一根人的头发 = 9万纳米
o 一粒豚草花粉 = 2万纳米
o 细菌 = 2千纳米
o 英特尔45纳米晶体管 = 45纳米
o 鼻病毒 = 20 纳米
Intel 成都
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