Intel 发表 45奈米 Penryn 处理器

英特尔公司于今日宣布一项重大的基础电晶体设计突破,以两种全新材料製作 45 奈米 (nm) 电晶体绝缘层 (insulating wall) 和开关闸极 (switching gate)。下一代 Intel® Core™ 2 Duo (Intel® 酷睿™2 双核心处理器)、Intel® Core™2 Quad (Intel® 酷睿™2 四核心处理器) 和 Xeon® 多核心处理器系列,将使用上亿个这种超小型电晶体 (或开关)。英特尔亦表示,该公司正在试产及测试五款初期版本产品,也是 15 款 45 奈米处理器产品计画中的第一批。

新型电晶体将让英特尔的个人电脑、笔记型电脑和伺服器处理器执行速度持续突破纪录,并减少电晶体漏电 (electrical leakage),漏电会阻碍晶片和个人电脑的设计、大小、耗电量、杂讯与成本的开发。今日的宣布也将确保摩尔定律 (Moore's Law)–即电晶体数目每两年就会倍增的高科技产业定律–可以再延续到未来十年。

英特尔相信该公司技术已持续领先其他半导体业者一年以上,并率先推出首款代号为“Penryn”之新一代 45 奈米产品系列处理器原型样品 (working processor)。首批产品目标将锁定五大电脑市场,并可执行 Windows* Vista*、Mac OS X*、Windows* XP 和 Linux 作业系统以及各种应用程式。英特尔依照计画,将于今年下半年进行 45 奈米产品的量产。

英特尔 45 奈米电晶体採用 high-k 材料和金属闸极

英特尔领先业界,採用全新材料组合製作 45 奈米产品,大幅降低漏电同时提升效能。英特尔将採用被称为 high-k 的新材料来製作电晶体闸极电介质 (transistor gate dielectric),而电晶体闸极的电极 (transistor gate electrode) 也将搭配採用新的金属材料组合。

英特尔创办人之一摩尔 (Gordon Moore) 表示:「採用 high-k 和新金属材料,代表着自 1960 年代后期金属氧化半导体 (MOS) 引进多晶硅 (polysilicon) 闸极以来,电晶体技术所面临的最大改变。」。

电晶体就是超小型开关,负责处理数位世界的 0 和 1。闸极负责开启和关闭电晶体,而闸极电介质则是闸极下的绝缘层,隔离闸极和电流流动的通路。金属闸极和 high-k 闸极电介质的组合可产出漏电极低且效能突破纪录的电晶体。

英特尔资深研究院士 (Intel Senior Fellow) 波尔 (Mark Bohr) 指出:「由于单一硅晶片上的电晶体数量愈来愈多,业界持续在研究减少漏电的解决方案。英特尔的工程师和设计师在此展现卓越成果,确保英特尔产品和创新的领导地位。英特尔的 45 奈米製程技术採用创新的 high-k 和金属闸极电晶体,因此能提供更快、耗电更少的多核心产品,持续强化我们成功的 Intel Core 2 和 Xeon 系列处理器产品,并使摩尔定律得以再延展十年。」

如果与实际物体进行比较,400 个英特尔 45 奈米电晶体约等同于人类单一红血球的表面积。仅仅十年前,最先进的製程採用的是 250 奈米 (等于 0.25 微米),製造出来的电晶体大小约为英特尔今天宣布新技术大小的 5.5 倍,体积更达 30 倍之多。

根据摩尔定律,晶片上的电晶体数目约每两年倍增,因此英特尔能透过创新和整合,加入更多功能和运算核心、提升效能、并降低生产成本和每颗电晶体的成本。为了维持创新速度,电晶体必须不断缩小。但如果继续採用现今的材料,再缩小电晶体时就会遇上极限–当电晶体已经缩到原子大小的尺寸时,耗电和散热会增加。为持续推动摩尔定律以及因应资讯时代的经济需求,必须要採用新材料。

英特尔 45 奈米製程之 high-k 和金属闸极的组成

由于二氧化硅具有易製性 (manufacturability),且能够减少厚度以持续改善电晶体效能,因此过去 40 余年来都採用二氧化硅做为製作闸极电介质的材料。英特尔的 65 奈米製程已成功将二氧化硅闸极电介质厚度降低到 1.2 奈米–相当于 5 层原子,但厚度减少导致闸极电介质的漏电增加,产生电流浪费和不必要的热能增加的情形。

业界认为随着二氧化硅闸极电介质厚度减少所引发的电晶体闸极漏电增加情形,是摩尔定律面临的最大技术挑战。为了解决这个关键问题,英特尔以较厚的 high-k 材料 (以铪 (hafnium) 元素为基础),取代沿用至今已超过 40 年的二氧化硅作为闸极电介质,使漏电量降低 10 倍以上。

由于 high-k 闸极电介质和现有硅闸极并不相容,英特尔的 45 奈米电晶体设计也必须开发新金属闸极材料。虽然新金属的细节仍是商业机密,但英特尔的新电晶体闸极将使用不同金属材料的组合。

英特尔的 45 奈米製程採用 high-k 闸极电介质和金属闸极,能增加驱动电流 20% 以上,等于提升电晶体效能。源极-汲极 (source-drain) 漏电则减少五倍以上,改善电晶体耗电量。

与前一代技术相较,英特尔的 45 奈米製程也改善电晶体密度近两倍,因此英特尔得以增加处理器之电晶体总数,或缩小处理器体积。因为 45 奈米电晶体比前一代製品更小,开关时所需电力更低,因此在开关运作时耗电量减少近 30%。英特尔将在 45 奈米的内部连接线 (interconnects) 採用铜线搭配 low-k 电介质,以提升效能并降低耗电量。英特尔也将使用创新设计法则和先进光罩技术,将 193 奈米乾式微影技术 (dry lithography) 延伸应用在 45 奈米处理器上,以善用其成本优势和高易製性。

Penryn 系列处理器电源管理效能更为精进

Penryn 系列处理器衍生自 Intel Core 微架构,也代表引领进入英特尔每隔一年提供新製程技术和新微架构的快速发展时程。英特尔採领先业界的 45 奈米製程、量产能力和先进的微架构设计,率先发展出第一个 45 奈米 Penryn 处理器原型样品。

英特尔正在开发 15 款以上的 45 奈米产品,範围涵盖桌上型电脑、笔记型电脑、工作站和企业市场。45 奈米製程的 Penryn 处理器系列,其双核心处理器内建超过 4 亿个电晶体,四核心处理器更超过 8 亿个电晶体,内含新微架构功能,可提升效能和电源管理功能、带来更高的核心运算速度、以及高达 12 MB 的快取记忆体。Penryn 系列设计也包括约 50 种新的 Intel SSE4 指令,扩充执行多媒体和高效能运算应用时的能力和性能。

(注:亦请参考英特尔“Manufacturing”线上频道 http://intel.feedroom.com 中,有关英特尔工程师和设计师的访谈实录)

相关推荐