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3-D晶体管时代到来 14亿晶体管铸造IvyBridge

2012-04-24 19:40
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2012-04-24 19:40 李钧

今天,英特尔正式发布了22nm工艺制程的IvyBridge平台,相比于工艺制程的升级,在22nm工艺的演进过程中,英特尔将晶体管从平面转向立体,3-D晶体管的设计,解决了晶体管制造向物理极限逼近过程中的漏电问题,同时也成就了半导体产业界的革命性进步。

3-D晶体管时代到来 14亿晶体管铸造IvyBridge

计算机的世界是一个二进制的世界,由于二进制在电路上非常容易表达,它能够和电路的两种状态——开与关——吻合,因此,顺理成章,集成电路和电子计算机也应用了二进制来进行处理与表达。

现在我们日常使用的CPU,就是一个典型的大规模集成电路,其基本单位是晶体管,每一个晶体管都是一个小开关,拥有开和关的两种状态,一个CPU中集成了大量的晶体管,从而实现了计算与处理。比如,在英特尔新发布的IvyBridge中,就集成了14亿个晶体管。

所谓的工艺制程,就是指的就是制造晶体管的精细度,显而易见,在集成相同数量晶体管的条件下,越精细的工艺,芯片的整体面积就越小,其功耗就越低,我们同样可以类推,在相同的芯片面积上,我们就可以实现更大规模的晶体管集成,从而实现更复杂的计算要求。

然而,毕竟现在晶体管已经是一个非常微观的设计,在如此小的空间内,这个小开关不可避免会遇到漏电问题。

所谓漏电,指的就是,晶体管中有非设计的电流通过,比如在晶体管关闭的状态下,理想情况中,不会有任何电流通过,负责阻挡电子的就是晶体管中的栅极。但是由于晶体管的体积不断缩写,逼近物理极限,而电子这样的微观粒子,其运动规律和我们的宏观世界大不相同,其位置并不是精确固定的,只有出现在某些位置的概率大小,越是微观,其位置的不确定性就越强,电子跃过晶体管栅极的概率就大。

单个晶体管的漏电并不存在影响,但如果漏电发生的情况超过一定程度,将会影响到整个芯片的可靠性。在半导体工艺不断革新的过程中,从130nm工艺制程的发展开始,漏电的概率已经开始影响到了芯片的可靠性,而22nm更是前所未有的革命性制程工艺的进步,如果我们采用传统的晶体管制造方案,严重的漏电问题将极大的影响芯片的质量。

因此,英特尔引入了三栅极的概念,将晶体管的栅极扩展到立体层面。

这样带来的好处是显而易见的,3-D晶体管的设计放大了晶体管开关状态的电流:在关闭状态下,漏电的概率大大降低,同时在开启的状态下,晶体管的电流更大。因此,这样的工艺设计让22nm制程成为可能。

于此同时,英特尔在22nm的制程中同样集成了此前已经大规模使用的高K介质技术,并且将这项技术升级到第二代。

正是由于22nm工艺的成功,IvyBridge成为可能,在一个典型的IvyBridge处理器中,集成了14亿个晶体管,这是之前CPU领域内难以想象的数字,对比于英特尔上一代SandyBridge的10亿晶体管,又有了超过40%的提升。

在先进技术的帮助下,英特尔再次验证了摩尔定律。

采用22nm 3-D晶体管的IvyBridge,拥有了强大的性能,对比于英特尔1971年的4004处理器,它的计算速度快了4000倍,每个晶体管省电超过5000倍,每个晶体管的价格便宜了50000倍。

如果我们的汽车产业按照这样的发展速度,我们假设1971年汽车速度是130公里/小时,那么,2012年,汽车的速度将达到521000公里/小时,如果1971年每升汽油能跑11公里,那么现在没升汽油能跑55300公里;如果1971年,汽车平均价格是2500美元,那么现在汽车的价格将不到5美分。

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