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英特尔赢得三栅极晶体管竞赛短程胜利

摘要:英特尔赢得三栅极晶体管竞赛短程胜利
英特尔于本周三(5月4日)推出了22纳米制程,基本符合此前的外界预期,但还是有出乎意料之处。英特尔的22纳米制程基于其立体晶体管设计,即三栅极结构。英特尔2002年率先宣布三栅极晶体管。这种晶体管将构成其22纳米节点的基础。

英特尔还展示了代号为Ivy Bridge的处理器,这是世界上第一款22纳米微处理器。基于Ivy Bridge的酷睿系列处理器,将是第一种大批量生产的三栅极晶体管芯片。Ivy Bridge将在今年底前做好大批量投产的准备。

但英特尔并未宣布22纳米移动处理器,而这种处理器可能帮助其抵挡来自ARM阵营的竞争威胁。

英特尔的22纳米制程还将基于其第三代HKMG,并将采用铜互连、低k、应变硅等技术。另外与32纳米类似,22纳米制程仍将继续使用193纳米沉浸式光刻技术。

英特尔没有披露关于低k互连技术的任何细节。英特尔坚称,它不会采用绝缘硅(SOI)技术。据英特尔,SOI晶圆将导致总体工艺成本上升10%左右。

多门晶体管竞赛

3-D三栅极晶体管实现了晶体管突破。传统“扁平的”2-D平面栅极被超级纤薄的、从硅基体垂直竖起的3-D硅鳍状物所代替。电流控制是通过在鳍状物三面的每一面安装一个栅极而实现的(两侧和顶部各有一个栅极),而不是像2-D平面晶体管那样,只在顶部有一个栅极。更多控制可以使晶体管在“开”的状态下让尽可能多的电流通过(高性能),而在“关”的状态下尽可能让电流接近零(低能耗),同时还能在两种状态之间迅速切换(这也是为了达到高性能)。

就像摩天大楼通过向天空发展而使得城市规划者优化可用空间一样,英特尔的3-D三栅极晶体管结构提供了一种管理晶体管密度的方式。由于这些鳍状物本身是垂直的,晶体管也能更紧密地封装起来——这是摩尔定律追求的技术和经济效益的关键点所在。未来,设计师还可以不断增加鳍状物的高度,从而获得更高的性能和能效。

“在多年的探索中,我们已经看到晶体管尺寸缩小所面临的极限,”摩尔指出:“今天这种在基本结构层面上的改变,是一种真正的突破,它能够让摩尔定律以及创新的历史步伐继续保持活力。”

其它正在开发多门晶体管结构的领先芯片厂商包括,IBM的晶圆厂俱乐部、台积电等。三栅极晶体管技术在英特尔以外被称为FinFET。台积电计划在14纳米节点推出其首款FinFET。

英特尔高级研究员及工艺架构与集成总监Mark Bohr表示,无论如何,英特尔在多门晶体管竞赛中将至少“领先三年”。他说,三栅极技术可以做到14纳米节点,但他没有谈论22纳米之后的下一个节点。

实现前所未有的能耗节省和性能提升

英特尔的3-D三栅极晶体管使芯片能够在更低的电压下运行,并进一步减少漏电量,与之前最先进的晶体管相比,它能提供前所未有的更高性能和能效。这些能力让芯片设计师可以根据应用的需求灵活地选用低能耗或高性能晶体管。

与之前的32纳米平面晶体管相比,22纳米3-D三栅极晶体管在低电压下将性能提高了37%。这一惊人的改进意味着它们将是小型手持设备的理想选择,这种设备要求晶体管在运行时只用较少的电力进行“开关”操作。全新的晶体管只需消耗不到一半的电量,就能达到与32纳米芯片中2-D平面晶体管一样的性能。

英特尔表示,在低电压条件下,22纳米三栅极晶体管的性能可以比英特尔32纳米平面晶体管最多提高37%。英特尔指出,这意味着其适用于小型手持设备,使这些设备在“开关”过程中消耗更少的能量。换句话说,在性能相同的条件下,新型晶体管的功耗比32纳米芯片上面的二维平面晶体管低50%。

Bohr表示,为了实现22纳米节点,英特尔必须多进行几次双重图形步骤。但整体来说,该公司将采用标准的半导体制造设备,该工艺只会导致成本增加2-3%。

英特尔表示,其22纳米制程的代号为1270,已开始进行生产。首批晶圆将出自俄勒冈州的D1D芯片厂,而今年下半年晚些时候,位于亚利桑那的F32工厂将开始量产。

去年英特尔同意充当FPGA初创公司Achronix Semiconductor的代工服务提供商,让业内感到意外。据报导,英特尔显然与另一家新兴的可编辑逻辑厂商Tabula达成了类似协议。英特尔拒绝评论关于Tabula的上述报导,称之为谣言。

分析师称将加剧x86与ARM竞争

周一(5月2日),Piper Jaffray的分析师认为,英特尔正在争取苹果公司的代工业务。相关阅读:苹果-三星关系恶化, 英特尔欲从中得利

分析师对于英特尔宣布22纳米三栅极技术的感觉复杂。Doug Freedman of Gleacher& Co。的分析师Doug Freedman表示:“性能数据令人瞩目。”

“与平面技术相比,新技术只是导致成品晶圆成本增加2-3%,”他说,“三栅极可以带来更低的漏电流(全耗尽晶体管)或更低的阈电压。在低功率/低电压运行时,这对于性能更为有利,因为关闭过程是影响总体功耗的关键。”三栅极技术产生硅‘fin’,在上面形成立体晶体管沟道和门,比平面技术有更好的scaling factor,因此裸片尺寸方面的好处可能足以抵消其带来的额外成本。

英特尔计划把首款22纳米芯片用于台式电脑和服务器,但Freedman认为,它应该最先考虑另一个领域。他说:“为什么不先考虑移动领域?”

Freedman表示:“x86产品将最先采用立体晶体管门技术,这可能有助于抵消x86的架构局限,从而在优化低功率性能方面更好地与ARM竞争。我们认为这不会改变目前格局,但一定会加剧x86与ARM的竞争。”

“英特尔在超移动与平板市场没有全力以赴,而把这些产品摆在了服务器和笔记本/台式产品的后面,”他说,“因此,该技术对手机和平板电脑市场的影响,最早要到2012年末才会看到。手机市场需要九个多月来验证设计并向市场推出产品。我们认为,英特尔在2012年初以前不会向OEM厂商提供22纳米手机芯片。”

移动处理器缺席

“过去几天,人们猜测英特尔将推出某种新型移动处理器,立即破坏ARM的商业模式和英伟达的Tegra业务。并没有此类消息宣布,尤其是几周前英特尔的移动/平板/智能手机业务主管突然离职之后,”Raymond James & Associates Inc。的分析师Hans Mosesmann在报告中写道。

英特尔在移动领域全速前进。该公司最近宣布了代号为“Oak Trail”的处理器,它采用45纳米工艺,面向移动设备。英特尔新设的上网本与平板电脑部门副总裁Stephen Smith表示,OEM厂商不久将宣布基于该处理器的产品。

在Oak Trail之后,英特尔正在开发基于32纳米的两款移动处理器,包括Medfield和Clover Trail。Smith对《EE Times》表示,Medfield面向智能手机。他说,Clover Trail将让英特尔在移动领域处于前列。但他没有透露任何基于22纳米的产品。

Mosesmann表示,无论如何,“该公司认为(三栅极晶体管)将允许摩尔定律从英特尔的22纳米节点开始继续生效。这意味着单位晶体管的功耗和成本不断下降,而性能不断增强。”

“英特尔大约四年前宣布45纳米gate last high-k metal gate晶体管,新的举动在意料之中,英特尔在制造工艺方面正在引领半导体产业,”他说,“英特尔在三维晶体管方面并不孤独:GlobalFoundries也在开发这种工艺;意法半导体,认为对于低功耗不太理想;三星,正在评估立体与平面方式。我们认为,英特尔可能领先竞争对手两年左右。”