世界首款高能低耗3-D晶體管進(jìn)入生產(chǎn)技術(shù)階段

英特爾公司宣布在晶體管發(fā)展上取得了革命性的重大突破。英特爾將推出被稱為三柵極 (Tri-Gate)的革命性3-D晶體管設(shè)計(jì)，并將批量投產(chǎn)研發(fā)代號為Ivy Bridge的22 nm英特爾芯片。

50多年來，2-D晶體管不僅一直在計(jì)算機(jī)、手機(jī)、消費(fèi)電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用，還用于汽車、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備以及數(shù)千種日用設(shè)備的電子控制中。這款3-D三柵極晶體管代表著從2-D平面晶體管結(jié)構(gòu)的根本性轉(zhuǎn)變。

這一革命性成果，其關(guān)鍵在于英特爾能夠把全新的3-D三柵極晶體管設(shè)計(jì)投入批量生產(chǎn)，開啟了摩爾定律的又一個新時代，并且為各種類型的設(shè)備的下一代創(chuàng)新打開了大門。

自從1947年晶體管問世以來，晶體管技術(shù)飛速發(fā)展。摩爾定律這樣預(yù)測了硅技術(shù)的發(fā)展步伐：晶體管密度大約每兩年便會增加1倍，同時其功能和性能將提高，而成本則會降低。40多年以來，摩爾定律已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)的基本商業(yè)模式。

據(jù)了解，英特爾于2003年推出應(yīng)變硅，之后于2007年又推出高-k金屬柵極?，F(xiàn)在，英特爾將為晶體管設(shè)計(jì)帶來另外一項(xiàng)革命——這將在各種計(jì)算設(shè)備(從服務(wù)器到臺式機(jī)，從筆記本電腦到手持式設(shè)備)中實(shí)現(xiàn)前所未有的高性能和能效。

a)實(shí)現(xiàn)前所未有的能耗節(jié)省和性能提升

英特爾的3-D三柵極晶體管使芯片能夠在更低的電壓下運(yùn)行，并進(jìn)一步減少漏電量，與之前最先進(jìn)的晶體管相比，它能提供前所未有的更高性能和能效。這些能力讓芯片設(shè)計(jì)師可以根據(jù)應(yīng)用的需求來靈活地選用低能耗或高性能晶體管。

與之前的32 nm平面晶體管相比，22 nm3-D三柵極晶體管在低電壓下將性能提高了37%。這一驚人的改進(jìn)意味著它們將是小型手持設(shè)備的理想選擇，這種設(shè)備要求晶體管在運(yùn)行時只用較少的電力進(jìn)行 “開關(guān)”操作。全新的晶體管只需消耗不到一半的電量，就能達(dá)到與32 nm芯片中2-D平面晶體管一樣的性能。

英特爾高級院士馬博 (Mark Bohr)表示： “英特爾獨(dú)一無二的3-D三柵極晶體管實(shí)現(xiàn)了前所未有的性能提升和能耗節(jié)省。這一里程碑的意義要比單純跟上摩爾定律的步伐更為深遠(yuǎn)。低電壓和低電量的好處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們通常從一代制程升級到下一代制程時所得到的好處。它將讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)師能夠靈活地將現(xiàn)有的設(shè)備創(chuàng)新得更智能，并且有可能開發(fā)出全新的產(chǎn)品。我們相信這一突破將進(jìn)一步擴(kuò)大英特爾在半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)先優(yōu)勢。”

b)繼續(xù)創(chuàng)新步伐——摩爾定律

根據(jù)以英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾命名的摩爾定律，晶體管將變得越來越小、越來越便宜，并且能效越來越高。正因?yàn)槿绱?，英特爾一直?jiān)持推動創(chuàng)新和集成，為每個芯片添加更多功能和計(jì)算內(nèi)核，從而提高性能，并降低單個晶體管的制造成本。

要在22 nm制程時代延續(xù)摩爾定律，這是一項(xiàng)異常復(fù)雜的技術(shù)。英特爾的科學(xué)家們在2002年發(fā)明了三柵極晶體管——這是根據(jù)柵極有三面而取名的。得益于英特爾高度協(xié)同的研究-開發(fā)-制造技術(shù)的集成作業(yè)，本次宣布的技術(shù)突破是多年研發(fā)的成果，也標(biāo)志著這項(xiàng)成果開始進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。

3-D三柵極晶體管實(shí)現(xiàn)晶體管的革命性突破。傳統(tǒng)“扁平的”2-D平面柵極被超級纖薄的、從硅基體垂直豎起的3-D硅鰭狀物所代替。電流控制是通過在鰭狀物三面的每一面安裝一個柵極而實(shí)現(xiàn)的 (兩側(cè)和頂部各有一個柵極)，而不是像2-D平面晶體管那樣，只在頂部有一個柵極。更多控制可以使晶體管在 “開”的狀態(tài)下讓盡可能多的電流通過 (高性能)，而在 “關(guān)”的狀態(tài)下盡可能讓電流接近零(低能耗)，同時還能在兩種狀態(tài)之間迅速切換。

就像摩天大樓通過向天空發(fā)展而使得城市規(guī)劃者優(yōu)化可用空間一樣，英特爾的3-D三柵極晶體管結(jié)構(gòu)提供了一種管理晶體管密度的方式。由于這些鰭狀物本身是垂直的，晶體管也能更緊密地封裝起來——這是摩爾定律追求的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵點(diǎn)所在。未來，設(shè)計(jì)師還可以不斷增加鰭狀物的高度，從而獲得更高的性能和能效。

摩爾指出： “在多年的探索中，我們已經(jīng)看到晶體管尺寸縮小所面臨的極限，今天這種在基本結(jié)構(gòu)層面上的改變，是一種革命性的真正突破，它能夠讓摩爾定律以及創(chuàng)新的歷史步伐繼續(xù)保持活力?！?/p>