英特爾取得晶體管技術重大突破加速多核計算時代進程

英特爾公司日前宣布，該公司在基礎晶體管設計方面取得了一個最重大的突破，采用兩種完全不同以往的晶體管材料來構建45納米晶體管的絕緣“墻”和切換“門”。在下一代英特爾酷睿2雙核、英特爾酷睿2四核以及英特爾至強系列多核處理器中，將置入數以億計的這種微觀晶體管或開關。英特爾公司同時宣布已有五種早期版本的產品正在運行，這是公司計劃中的15款45納米處理器產品的第一批。

在臺式機、筆記本和服務器領域，晶體管技術的提升使得公司不但能夠繼續創造出處理器計算速度的全新紀錄，同時還會減少晶體管的漏電量。這種漏電會影響芯片和PC的設計、規格、功耗、噪音以及成本。同時，這一突破也會保證摩爾定律在下一個十年繼續有效。摩爾定律是高科技產業的基本規律，即晶體管數量每兩年翻一番。

英特爾公司相信，生產出新一代45納米系列產品（研發代碼為Penryn）中的首批可工作45納米處理器，標志著英特爾在半導體產業領先至少一年。面向五大不同計算機細分市場的早期45納米處理器版本，正在運行Windows Vista， Mac OS X， Windows XP和Linux等操作系統以及其它應用程序。英特爾按計劃將在2007年下半年交付投產45納米處理器。

英特爾在45納米晶體管中創造性地采用全新高-k柵介質和金屬柵極材料

英特爾率先將新材料創新性地組合，在其45納米工藝技術方面極大地減少了晶體管漏電量，同時提高處理器性能。英特爾將采用專有的新型高-k介質材料作為晶體管柵介質，同時采用新型金屬材料組合作為晶體管柵電極。

英特爾公司聯合創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）指出，“采用高-k柵介質和金屬柵極材料，是自上世紀60年代晚期推出多晶硅柵極金屬氧化物半導體（MOS）晶體管以來，晶體管技術領域里最重大的突破。”

晶體管是處理數字世界0、1組合的微型開關。柵用來打開或閉合晶體管，而柵介質是用來將柵從電流通道隔離出來的絕緣體底層。金屬柵極和高-k柵介質的組合使晶體管漏電量非常低，性能大為提升。

英特爾高級院士Mark Bohr指出：“隨著越來越多的晶體管被集成到一個硅晶片上，業界一直在研究電流泄露問題的解決方案，我們的工程師和設計人員已經取得了重大突破，確保了英特爾在產品和創新方面的領導地位。我們在45納米工藝技術方面采用了新型高-k柵介質和金屬柵極晶體管，將幫助英特爾公司針對我們已經成功推出的英特爾酷睿2和至強系列處理器，推出速度更快、能效更高的多核產品，并使摩爾定律在下一個十年繼續發揚光大。”

相比較而言，一個人類紅血球表面即可容納大約400個英特爾公司的45納米晶體管。就在10年前，當時最先進的工藝技術還是250納米的，當時晶體管尺寸約是以英特爾今天宣布的技術實現的晶體管尺寸的5.5倍，面積約為現在的30倍。

根據摩爾定律，一個芯片上的晶體管數量每兩年幾乎翻一倍。因此，英特爾有能力創新并集成產品，加入更多特性和計算處理核心，提高性能，并降低制造成本和單個晶體管生產成本。為保持創新速度，晶體管必須不斷縮小。但是，使用現有的材料，晶體管的縮小能力幾乎已經達到極限，因為隨著晶體管尺寸已經達到原子級，功耗和發熱的問題日益嚴重。因此，采用新材料已經成為摩爾定律和信息時代經濟學未來發展的必然要求。

英特爾45納米工藝技術中的高-k柵介質和金屬柵極材料

采用氧化硅制造晶體管柵介質已有40余年，主要是由于其可加工能力，并且隨著氧化硅被加工得越來越薄，晶體管性能也取得了穩步提高。英特爾在其此前的65納米工藝技術中，已經成功將氧化硅柵介質的厚度縮小至1.2納米（相當于五個原子層），但是不斷縮小也使柵介質的漏電量逐步增加，導致電流浪費和不必要的發熱。

晶體管柵漏電與不斷變薄的氧化硅柵介質有關，這一點已經被業界視為過去10年來摩爾定律面臨的最大技術挑戰之一。為解決這一棘手問題，英特爾公司在柵介質中采用厚度更大的鉿基高-k材料取代氧化硅，與過去40多年中一直使用的氧化硅相比較，漏電量減少了10多倍。

由于高-k柵介質與當今的硅柵電極不兼容，因此，英特爾45納米晶體管材料的另一方面是開發新的金屬柵極材料。雖然英特爾采用的特定金屬仍未公開，但可知的是，英特爾將在晶體管柵電極中采用不同金屬材料的組合。

在英特爾45納米工藝技術中，高-k柵介質與金屬柵極的組合，使驅動電流或晶體管性能提高了20%以上。同時，使源極-漏極漏電降低了5倍以上，大幅提高了晶體管的能效。

英特爾公司的45納米工藝技術也使晶體管密度比上一代工藝提高了大約兩倍，使英特爾能夠增加總體晶體管的數量或縮小處理器的大小。由于45納米晶體管遠小于上一代晶體管，因此，晶體管開關所需能量也大為減少，使主動切換耗電大約降低了30%。英特爾在45納米接頭中將采用低-k電介質的銅線，也是為了提高性能、降低功耗。同時，英特爾也將采用創新的設計規則和先進的掩模技術，拓展193納米干式光刻技術的應用來制造其45納米處理器，這主要得益于其成本優勢和較高的可加工能力。

Penryn系列處理器將帶來更高能效表現

英特爾公司每隔一年即推出一代新工藝技術和新的微體系架構，Penryn系列處理器秉承英特爾酷睿微體系架構優勢，是英特爾高節奏技術進程中的下一步。英特爾以領先的45納米工藝技術、大批量生產能力以及領先的微體系架構設計，已經開發出首批可實用的45納米工藝Penryn處理器樣品。

英特爾正在開發的45納米工藝產品超過15種，涵蓋臺式機、筆記本、工作站和企業版產品領域。45納米雙核處理器中含有4億多個晶體管，四核處理器中含有8億多個晶體管，Penryn系列處理器采用了全新的微體系架構特性，擁有更強的性能和電源管理能力，更高的核心速度以及高達12兆字節的緩存。Penryn系列處理器的設計也帶有大約50條新的英特爾SSE4指令，拓展了針對媒體和高性能計算應用的能力和性能。