纳米技术在芯片界中的发展速度相当可观,而对于目前企业级处理器发展领域中主要还是靠45nm独当一面,而随着45nm工艺的日趋成熟,各个芯片厂商却早已开始瞄向32nm工艺和22nm工艺。而按照工艺路线,接下来的处理器将指向32nm工艺。早在08年末的国际电子组件会议(IEDM)上,主要的会议切入点集中放在了32nm工艺之上,并且英特尔(Intel)公司在此次会议中,对32nm制程技术的细节进行阐述,并计划于2009年第四季投产,以推出更大能源效率、更高密度、效能更强的晶体管。
从最早的1965年英特尔公司推出的10微米处理器,之后经历了6微米、3微米、1微米、0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.13微米、0.09微米、0.065微米(65nm),到如今的0.045微米(45nm)的制造工艺。
英特尔4004处理器全家福
1974年,Intel微处理器8080问世,采用6微米工艺。
1978年,Intel推出微处理器8086,频率有4.77MHz、8MHz和10MHz。
1983年,Intel首次推出新型处理器286,频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。
1985年,386处理器问世,频率为16~33MHz,具备初级多任务处理能力)等处理器。
1989年,Intel发布了486处理器。主频也从25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz、66MHz,采用1微米工艺。
1993年,Intel奔腾(Pentium)处理器问世,采用800纳米,同时标志着CPU从微米时代跨入纳米时代。随后,英特尔推出采用0.25微米工艺的处理器主要有Pentium Ⅱ(Deschutes核心)、Pentium Ⅲ(Katmai、Confidential核心)及赛扬(Mendicino核心)等。
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2005年,推出了Pentium Extreme Edition 955,标志着Intel进入一个新的阶段,65nm时代的来临。
2007年,Intel首款45nm Penryn处理器QX9650问世。
从65纳米到45纳米的转变是一个跨越的过程,通过全新的英特尔SIMD流指令扩展4(SSE4),利用47条全新指令加快处理器处理速度,从而在高性能计算机和高端应用领域具备很好的表现。而至强7400处理器作为首款六核处理器,表现当然不会逊色。作为高端产品的至强7460处理器主频达到2.66GHz,二级缓存为9MB,三级缓存为16MB。而正是有了这些相对较高性能的处理器使得目前服务器市场上的产品能够更大限度地帮助企业建立高标准的数据中心,从而促进整个社会的经济发展。22nm工艺到底有多难?
在32nm工艺没有完全胜任的时候,不少重点芯片厂商已经开始瞄向22nm工艺技术,不管32nm工艺是否能完全胜任各种需求,但是确定的是22nm工艺技术的提出让不少企业看到了希望,它的出现必定取代45nm工艺技术,迎接新的技术发展。不过话又说回来,22nm工艺技术的提出也遵循了芯片技术发展规律,但是22nm工艺技术面临的挑战似乎不少,Semiconductor Insights分析师Xu Chang、Vu Ho、Ramesh Kuchibhatla与Don Scansen所列出的15大22纳米制程节点技术挑战:
1. 成本与负担能力
IC生产所需的研发、制程技术、可制造性设计(DFM)等部分的成本不断提升,而最大的问题就是迈入22纳米节点之后,量产规模是否能达到经济平衡?
2. 微缩(Scaling)
制程微缩已经接近极限,所以下一步是否该改变电路(channel)材料?迄今为止,大多数的研究都是电路以外的题材,也让这个问题变得纯粹。锗(germanium)是不少人看好的电路材料,具备能因应所需能隙(bandgap)的大量潜力。
3. 微影技术
新一代的技术包括超紫外光(extreme ultraviolet,EUV)与无光罩电子束微影(maskless electron-beam lithography)等,都还无法量产。不过193纳米浸润式微影技术将在双图案(double patterning)微影的协助下,延伸至22纳米制程。
4. 晶体管架构
平面组件(Planar devices)很可能延伸至22纳米节点;不过多闸极MOSFET例如英特尔(Intel)的三闸晶体管(tri-gate transistor),以及IBM的FinFET,则面临寄生电容、电阻等挑战。
5. 块状硅(Bulk silicon)或绝缘上覆硅(SOI)
在22纳米制程用块状硅还是SOI好?目前还不清楚,也许两种都可以。
6.高介电常数/金属闸极
取代性的闸极整合方案,将因较狭窄的闸极长度而面临挑战;为缩减等效氧化层厚度(equivalent oxide thickness,EOT),将会需要用到氧化锆(Zirconium oxide)。
7. 应力(Strain)技术
应变记忆技术(stress memorization techniques,SMT)、拉伸应力工具(tensile stress liner)等各种技术目前已经获得应用,嵌入式Si-C也可能需要用以改善NMOS电流驱动。嵌入式硅锗(SiGe)、压缩应力工具以及电路/基板定位,则需要用以提升PMOS性能。
8. 夹层电介质(Interlayer dielectric)
超低介电常数(Ultra low-k)电介质或气隙(air gap)技术,以及新一代的铜阻障技术都是有必要的。将「K」值近一步由2.6降低到2.2,也是降低偶合电容所必须。还需要多孔碳掺杂氧化材料(Porous carbon-doped oxide materials)。
9. NMOS与PMOS的超浅接面(ultra shallow junctions)
需要离子植入(ion implantation)以及快速瞬间退火(anneal)等技术。
10. 先进的铜导线划线工具
为改善铜导线的性能,需要先进的划线工具(liner)与覆盖层(capping layer)。
11. 寄生电容与电阻
这会是很大的挑战,也许会需要升高源/汲极(elevated source/drain)、先进硅化物、金属源/汲极,以及镶嵌式铜触点(damascene copper contact)。
12. 嵌入式内存
零电容随机存取内存(Zero capacitor RAM,ZRAM)是一个热门研究题材,不过还不到量产阶段;传统的6T SRAM将延伸至22纳米制程。
13. 组件电路相互干扰
这也会是个很大的挑战;相关问题包括亲微影(litho-friendly)电路布局、制程变异 vs. 电路性能,以及可制造性设计(DFM)的考虑。
14. 变异性(Variability)
挑战包括闸极线边缘粗糙度(line-edge roughness)、通道杂质控制,以及SRAM的静电干扰极限。
15. 标线(reticle)与晶圆校准
这是22纳米制程的杀手级缺陷挑战。除了以上的15大挑战,22纳米制程技术还有其他需要克服的障碍,包括电子迁移率的提升、短通道效应(Short channel effect)等。匍匐前行的AMD
而对于AMD公司的处理器芯片在节奏上似乎就要慢“半拍儿”,关于45nm处理器,AMD最早放出消息是在今年年初德国CeBIT大会上,也是第一次公开展示了正在研发中的45nm工艺原生四核心处理器产品。
2008年11月13日,AMD在美国正式发布了代号为Shanghai/上海的最新一代处理器。
2009年6月1日,AMD又发布了其更新换代的产品:Istanbul/伊斯坦布尔,将核心数量从上海的四个全面升级到六个。
AMD公司的Istanbul(伊斯坦布尔)依然采用了45nm SOI制程工艺,并且基于Shanghai核心。相比Shanghai处理器,Istanbul核心数量得到了提升,提高了Shanghai处理器上出现的HT3.0总线的速度(当然现在的Shanghai处理器未能实现HT3.0——因为芯片组的缘故)。
“赶在时代前沿”这似乎是所有发展中的企业想要做到的,商战中的竞争是相当残酷冷血。当然冲在第一线的技术产品是目前大众渴望获得和使用的,45nm工艺技术在处理器市场得到了广泛的应用和良好的客户反馈。时代在进步,科学技术在不停地发展,虽然我们目前没有看到22nm工艺技术,但是它的提出不无道理。45nm的“辉煌”时代已经让我们得到了满足,未来的32nm或者22nm工艺技术时代也正在悄然来临。