強(qiáng)力充電:完全解析45納米CPU制作工藝

前言：CPU的發(fā)展史也可以看作是制作工藝的發(fā)展史。如果想要提高CPU的性能，那么更高的頻率、更先進(jìn)的核心以及更優(yōu)秀的緩存架構(gòu)都是不可或缺的，而此時(shí)自然也需要以制作工藝作為保障。幾乎每一次制作工藝的改進(jìn)都能為CPU發(fā)展帶來(lái)最強(qiáng)大的源動(dòng)力，無(wú)論是Intel還是AMD，制作工藝都是發(fā)展藍(lán)圖中的重中之重，如今處理器的制造工藝已經(jīng)走到了45納米的新舞臺(tái)，它將為新一輪CPU高速增長(zhǎng)開(kāi)辟一條康莊大道。


　　很多用戶(hù)都對(duì)不同的CPU的制作工藝非常熟悉，然而如果問(wèn)他們什么是制作工藝，65納米、45納米代表的是什么，有什么不同，這些問(wèn)題他們未必能夠準(zhǔn)確地解答，下面我們就一起來(lái)詳細(xì)了解一下吧。

一、銅導(dǎo)互連的末代瘋狂：45納米制作工藝

　　幾乎每一次制作工藝的改進(jìn)都會(huì)給CPU發(fā)展帶來(lái)巨大的源動(dòng)力。以如今炙手可熱的Pentium4為例，從最初的0.18微米到隨后的65納米，短短四年中我們看到了驚人的巨變。如今，45納米制作工藝再一次突破了極限，這也被視為是銅導(dǎo)互連技術(shù)的最終暢想曲。

　　1．制作工藝的重要性

　　早期的微處理器都是使用0.5微米工藝制造出來(lái)的，隨著CPU頻率的增加，原有的工藝已無(wú)法滿(mǎn)足產(chǎn)品的要求，這樣便出現(xiàn)了0.35微米以及0.25微米工藝，不久以后，0.18微米、0.13微米以及90納米制造的處理器產(chǎn)品也相繼面世。另外一方面，早期芯片內(nèi)部都是使用鋁作為導(dǎo)體，但是由于芯片速度的提高，芯片面積的縮小，鋁線(xiàn)已經(jīng)接近其物理性能極限，所以芯片制造廠(chǎng)商必須找出更好的能夠代替鋁導(dǎo)線(xiàn)的新的技術(shù)，這便是我們常說(shuō)的銅導(dǎo)技術(shù)。銅導(dǎo)線(xiàn)與鋁導(dǎo)線(xiàn)相比，有很大的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在其導(dǎo)電性要優(yōu)于鋁，而且電阻小，所以發(fā)熱量也要小于現(xiàn)在所使用的鋁，從而可以有效地提高芯片的穩(wěn)定性。我們今天所要介紹的65納米技術(shù)也是向著這一方向發(fā)展。


Intel在IDF 2007上驕傲地展示45nm工藝

　　光刻蝕是目前CPU制造過(guò)程當(dāng)中工藝非常復(fù)雜的一個(gè)步驟，其過(guò)程就是使用一定波長(zhǎng)的光在感光層中刻出相應(yīng)的刻痕，由此改變?cè)撎幉牧系幕瘜W(xué)特性。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于所用光的波長(zhǎng)要求極為嚴(yán)格，需要使用短波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)和大曲率的透鏡，刻蝕過(guò)程還會(huì)受到晶圓上的污點(diǎn)的影響。每一步刻蝕都是一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的過(guò)程，設(shè)計(jì)每一步過(guò)程的所需要的數(shù)據(jù)量都可以用10GB的單位來(lái)計(jì)量，而且制造每塊處理器所需要的刻蝕步驟都超過(guò)20步。制作工藝對(duì)于光刻蝕的影響十分巨大，這也就是CPU制造商瘋狂追求制作工藝的最終原因。

2．何謂45納米制作工藝

　　我們通常所說(shuō)的CPU納米制作工藝并非是加工生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)際上指的是一種工藝尺寸，代表在一塊硅晶圓片上集成所數(shù)以萬(wàn)計(jì)的晶體管之間的連線(xiàn)寬度。按技術(shù)述語(yǔ)來(lái)說(shuō)，也就是指芯片上最基本功能單元門(mén)電路和門(mén)電路間連線(xiàn)的寬度。以90納米制造工藝為例，此時(shí)門(mén)電路間的連線(xiàn)寬度為90納米。我們知道，1微米相當(dāng)于1/60頭發(fā)絲大小，經(jīng)過(guò)計(jì)算我們可以算出，0.045微米（45納米）相當(dāng)于1/1333頭發(fā)絲大小?？蓜e小看這1/1333頭發(fā)絲大小，這微小的連線(xiàn)寬度決定了CPU的實(shí)際性能，CPU生產(chǎn)廠(chǎng)商為此不遺余力地減小晶體管間的連線(xiàn)寬度，以提高在單位面積上所集成的晶體管數(shù)量。采用45納米制造工藝之后，與65納米工藝相比，絕對(duì)不是簡(jiǎn)單地令連線(xiàn)寬度減少了20納米，而是芯片制造工藝上的一個(gè)質(zhì)的飛躍。

Intel展示45納米工藝的晶元

　　如今最新的45納米制造工藝可以在不增加芯片體積的前提下，在相同體積內(nèi)集成多將近一倍的晶體管，使芯片的功能得到擴(kuò)展。毫無(wú)疑問(wèn)，信位寬度越小，晶體管的極限工作能力就越大，這也意味著更加出色的性能。對(duì)于Core架構(gòu)的Intel處理器而言，更高的主頻有著很大的意義，而且新的制作工藝令集成更多緩存變得輕而易舉。下表是歷代微處理器與制作工藝發(fā)展之間的關(guān)系：

首次采用0.35微米制作工藝的Pentium讓人記憶猶新

3．第三代單軸應(yīng)變硅隧道

　　此次Intel在啟用45納米制作工藝時(shí)還引入了極為重要的改進(jìn)型SOI變形硅技術(shù)，也就是第三代單軸應(yīng)變硅隧道，這對(duì)于更好地改善電氣性能有著極大的幫助。CPU所集成的晶體管是一個(gè)小開(kāi)關(guān)，決定了電流的通與斷，而在現(xiàn)實(shí)世界中，我們無(wú)法完全地控制電流，必須借助一些附加技術(shù)。SOI（Silicon-on-insulator，絕緣體硅片）就是為了防止泄漏電流和停止電流活動(dòng)而設(shè)計(jì)的，變形硅則剛好相反，是為了驅(qū)動(dòng)電流流動(dòng)而設(shè)計(jì)的。事實(shí)上，SOI 與變形硅技術(shù)總是需要同時(shí)使用。

　　第三代單軸應(yīng)變硅隧道將待變形硅片放在一種特殊的硅鍺底基上，這種硅鍺底基的原子間距離比待變形硅片原子間距離大，受底基原子作用，硅片中的原子也將向外運(yùn)動(dòng)，彼此間拉開(kāi)距離，從而減少對(duì)電流的阻力。SOI變形硅有效地?cái)U(kuò)展了晶體管通道區(qū)域，把硅直接放到底層的頂部，可以預(yù)留更多的空間，更好地?cái)U(kuò)展到底層上，使上面的硅原子直接和低層相匹配，延伸硅元素到合適的通道中。硅原子有更多的空間后，電阻減少了，增加了電流通過(guò)的數(shù)量。最終結(jié)果是使電流流動(dòng)強(qiáng)度提高了10～15%，或者使當(dāng)前的電流更加順暢，從而提高了晶體管的運(yùn)行速度，提高了芯片的工作頻率。

　　4．45納米工藝的巨大價(jià)值

　　可以很明顯地看出來(lái)，每次提高制作工藝都能夠讓主頻大幅度提升，而二級(jí)緩存的容量也幾乎是以倍增的方式來(lái)回報(bào)更先進(jìn)的制作工藝。提升制作工藝意味著巨額的資金投入，改造一條芯片生產(chǎn)線(xiàn)往往需要花費(fèi)數(shù)十億美金，如果沒(méi)有龐大的財(cái)力，將無(wú)法完成這樣的任務(wù)。然而任何產(chǎn)業(yè)都是高投入帶來(lái)高回報(bào)，一旦徹底掌握先進(jìn)的制作工藝，CPU等產(chǎn)品的制造成本也能下降，反而帶來(lái)更大的盈利空間。對(duì)于同樣晶體管規(guī)模的半導(dǎo)體芯片，新工藝意味著更小的核心面積，而芯片的制造成本與核心面積的平方基本成正比。

　　幾乎在每次制作工藝的改進(jìn)過(guò)程中，Inte都領(lǐng)先了一步，IBM、摩托羅拉、AMD、TI、富士通、臺(tái)積電、聯(lián)電等半導(dǎo)體企業(yè)總是落后半拍。目前Intel已經(jīng)成功地將45納米應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，而AMD和臺(tái)積電等其它廠(chǎng)商都僅僅停留在“紙上談兵”的層面。對(duì)于A(yíng)MD而言，目前僅僅剛剛過(guò)渡到65納米制作工藝，45納米的暫緩使用將會(huì)再次使之無(wú)法贏(yíng)得與Intel處理器之間的主頻大戰(zhàn)，從而令性能比拼處于相對(duì)被動(dòng)的局面。然而目前緊盯65納米制作工藝的不僅僅是Intel，包括AMD、VIA、摩托羅拉等CPU制造商也在不斷努力，富士通、臺(tái)積電、聯(lián)電等專(zhuān)業(yè)代工廠(chǎng)商更是十分努力。從當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，第一款65納米處理器將很可能出現(xiàn)在2007年年底或者2008年年初，而AMD則需要到2008年第二季度才會(huì)跟進(jìn)。 

二、制程與功耗的矛盾：45納米工藝遭遇漏電危機(jī)

　　制作工藝對(duì)于CPU微處理器的重要性不言而喻，無(wú)論是提高主頻還是集成更多的緩存又或是改進(jìn)新的核心，這些都需要更為強(qiáng)大的制作工藝作為支撐。一代又一代的微處理器發(fā)展史幾乎可以看作是制作工藝的發(fā)展史。進(jìn)入90納米時(shí)代之后，業(yè)界一度停止發(fā)展的腳步，其中晶體管漏電便是主要原因之一。如果無(wú)法徹底解決這一問(wèn)題，那么今后微處理器的發(fā)展之路將會(huì)布滿(mǎn)荊棘。

　　1．晶體管連線(xiàn)寬度：90納米后出現(xiàn)危機(jī)

　　我們通常所說(shuō)的CPU納米制作工藝并非是加工生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)際上指的是一種工藝尺寸，代表在一塊硅晶圓片上集成所數(shù)以萬(wàn)計(jì)的晶體管之間的連線(xiàn)寬度。按技術(shù)述語(yǔ)來(lái)說(shuō)，也就是指芯片上最基本功能單元門(mén)電路和門(mén)電路間連線(xiàn)的寬度。以90納米制造工藝為例，此時(shí)門(mén)電路間的連線(xiàn)寬度為90納米。CPU生產(chǎn)廠(chǎng)商不遺余力地減小晶體管間的連線(xiàn)寬度，以提高在單位面積上所集成的晶體管數(shù)量。但是，晶體管連線(xiàn)寬度的降低最終容易導(dǎo)致晶體管體積過(guò)小，此時(shí)也就是我們所說(shuō)的“漏電”問(wèn)題。以當(dāng)前的晶體管生產(chǎn)工藝，如果體積太小，那么很有可能在“關(guān)閉”狀態(tài)下仍然是通電的，這樣就會(huì)帶來(lái)絕對(duì)不可接受的電路錯(cuò)誤。 

 
　　2．CPU功率提升：晶體管漏電帶來(lái)尷尬

　　晶體管漏電所帶來(lái)的危機(jī)不僅僅是電路錯(cuò)誤。隨著芯片中晶體管數(shù)量增加，原本僅數(shù)個(gè)原子層厚的二氧化硅絕緣層會(huì)變得更薄進(jìn)而導(dǎo)致泄漏更多電流，隨后泄漏的電流又增加了芯片額外的功耗。事實(shí)上，不僅僅是90納米制作工藝遇到晶體管漏電的難題，65納米和45納米工藝更是面臨艱巨的挑戰(zhàn)。盡管晶體管漏電會(huì)導(dǎo)致芯片電路錯(cuò)誤，但是當(dāng)漏電現(xiàn)象控制在一定范圍內(nèi)之時(shí)，其實(shí)并不影響CPU的整體工作。不過(guò)可以肯定的是，晶體管漏電至少造成明顯的功耗提升，這不僅僅是晶體管本身帶來(lái)額外的發(fā)熱量，還包括CPU為了解決信號(hào)模糊問(wèn)題而不得不提高的核心電壓。

　　我們可以發(fā)現(xiàn)，從0.13微米到0.09微米，不少CPU并未降低核心電壓，其中一部分原因就是為了解決晶體管漏電問(wèn)題?？墒牵?dāng)CPU電壓無(wú)法降低之時(shí)，其功耗是很難得到控制的，最典型的例子莫過(guò)于A(yíng)MD Athlon 64。同樣是Socket 754接口的0.09微米工藝，移動(dòng)平臺(tái)的炫龍通過(guò)1.0V電壓可以實(shí)現(xiàn)25W TPD功耗，而桌面平臺(tái)的Athlon 64卻高達(dá)62W。盡管這其中有工作主頻和核心步進(jìn)之間的區(qū)別，但是造成如此大的差距，核心電壓的因素絕對(duì)不可忽視。至于Intel的Pentium D，在改用65納米工藝之后，核心電壓和功耗均未明顯下調(diào)。毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)CPU的制作工藝改革必須建立在降低工作電壓的基礎(chǔ)上，而這也逼迫CPU廠(chǎng)商通過(guò)其它途徑來(lái)解決晶體管漏電問(wèn)題。



　　3．Intel 45納米工藝的解決方案

　　進(jìn)入45納米時(shí)代之后，此時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)更為艱巨。晶體管漏電至少造成明顯的功耗提升，這不僅僅是晶體管本身帶來(lái)額外的發(fā)熱量，還包括CPU為了解決信號(hào)模糊問(wèn)題而不得不提高的核心電壓。為此，Intel在其45納米工藝中融合了高介電薄膜（High-K Dielectrics）和金屬門(mén)集成電路，有效解決了這場(chǎng)漏電危機(jī)。

　　盡管最新的制作工藝還沒(méi)有余地來(lái)解決高功耗問(wèn)題，但是Intel將會(huì)在新處理器上推出被稱(chēng)為“Deep Power Down”的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更低的C6節(jié)電狀態(tài)。新的C6狀態(tài)可以將處理器的核心電壓降至其所采用制程技術(shù)的極限，在該狀態(tài)下除了降低處理器核心頻率以外還將會(huì)關(guān)閉所有的高速緩存。在這種情況下，其功耗非常低，并且將會(huì)在新一代 Penryn處理器上得到應(yīng)用。 

三、銅導(dǎo)互連技術(shù)：艱難中的掙扎

　　目前的Intel Core2以及AMD K8處理器都采用金屬銅導(dǎo)互連技術(shù)，更多的金屬銅線(xiàn)互連可以?xún)?yōu)化電路板并提高制造密度，從而大幅度降低成本的同時(shí)為性能提升開(kāi)辟道路。Intel 45納米制作工藝在原先的65納米基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，采用了10層銅互連技術(shù)，使硅晶圓上的晶體管集成度再次提高。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，銅工藝已經(jīng)日臻成熟，進(jìn)入量產(chǎn)階段。但是更多的銅導(dǎo)互連層也會(huì)導(dǎo)致互聯(lián)電路部分的信號(hào)延遲，此時(shí)Intel選擇低介電常數(shù)的low k材料作為介電材料。單純采用銅來(lái)代替鋁作為互聯(lián)材料可以降低信號(hào)延遲大約40%，而新型low k材料工藝能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步使信號(hào)延遲降低20％左右，只不過(guò)這也控制晶體管漏電又是一對(duì)矛盾。

　　十分尷尬的是，此次Intel似乎已經(jīng)用足了銅導(dǎo)互連技術(shù)最后的潛力。隨著密度的增加，信號(hào)延遲問(wèn)題變得越來(lái)越難以解決，而且即便是最新型的low k材料也難以滿(mǎn)足未來(lái)的需求。在這種狀況下，尋找新的解決方案成為當(dāng)務(wù)之急。目前，多家廠(chǎng)商已開(kāi)始開(kāi)發(fā)光互連技術(shù)，包括IBM公司和Agilent Technologies公司都已經(jīng)收到了美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目機(jī)構(gòu)3000萬(wàn)美元的資助，而Intel也在緊鑼密鼓地展開(kāi)相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)。光互連是一種利用各種光傳輸介質(zhì)把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各部件或各子系統(tǒng)連接起來(lái)并通過(guò)光來(lái)高速傳遞信息的技術(shù)，可以看作是光學(xué)與物理學(xué)以及IC制造的交叉性新領(lǐng)域。事實(shí)上，光互連并不像生物芯片或是其它技術(shù)那樣遙遠(yuǎn)，在2010年后將會(huì)成為主流發(fā)展趨勢(shì)。

　　制作工藝提升的最終目的與光刻蝕十密切相關(guān)，然而如果能夠改變光刻蝕這一過(guò)程，那么這將是一條巧妙的發(fā)展捷徑。LADI是目前唯一在研發(fā)上有較大進(jìn)展的取代技術(shù)，已經(jīng)成為芯片制造商的關(guān)注焦點(diǎn)。和傳統(tǒng)的光刻蝕相比，LADI更像是用于生產(chǎn)光碟的方法。它通過(guò)電子流蝕刻方法在一塊透明的石英晶體上刻上極微小的反向圖案，再將該石英晶體和一塊硅晶片緊緊靠在一起，然后用高能量紫外激光照射，由于石英能夠讓308納米波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)激光通過(guò)，硅晶片就會(huì)吸收該激光的能量并受熱融化。這樣激光就透過(guò)石英并融化了硅晶片最上層幾納米到幾十納米厚度的硅，等于無(wú)形中大幅度提升了制作工藝。

　　當(dāng)硅晶片融化到指定深度的時(shí)候，石英晶體就成為了一個(gè)鑄造模具，比水的流動(dòng)性好3倍的液態(tài)硅迅速地填充到石英晶體表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的空隙里并形成既定的圖案。當(dāng)把石英晶體移開(kāi)以后，這些來(lái)自石英晶體的電路和結(jié)構(gòu)圖案將被保留下來(lái)，用來(lái)組裝處理器芯片的精微晶體管。整個(gè)LADI工序只需要不到250ns的時(shí)間，比眨一下眼睛都快了100萬(wàn)倍，由于LADI不再需要在硅層鍍上腐蝕性的化學(xué)藥劑，因此這個(gè)過(guò)程就變得非常環(huán)保而且更節(jié)約成本。不過(guò)可以肯定的是，目前LADI技術(shù)還比較超前，只有當(dāng)光刻蝕技術(shù)配合30納米發(fā)展到極限之后，它才會(huì)正式進(jìn)入實(shí)質(zhì)性應(yīng)用。

四、寫(xiě)在最后

　　據(jù)了解，45納米工藝處理器樣品已經(jīng)出爐，離量產(chǎn)的日子也不遠(yuǎn)，一些廠(chǎng)商已經(jīng)收到了45納米樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果還是令人滿(mǎn)意的。在今后越來(lái)越強(qiáng)調(diào)功耗性能比概念的前提下，更新的制作工藝無(wú)疑會(huì)更受PC用戶(hù)的歡迎，畢竟在強(qiáng)調(diào)環(huán)保，倡導(dǎo)能源節(jié)省的今天，像火爐般高熱的PC將不再受到人們的稱(chēng)道，低熱、高性能、安靜的PC才是正道！