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晶体管是现代电子学的基石,而Intel此举堪称晶体管历史上最伟大的里程碑式发明,甚至可以说是“重新发明了晶体管”。半个多世纪以来,晶体管一直都在使用2-D平面结构,现在终于迈入了3-D三维立体时代英特尔公司称采用新型架构晶体管的芯片在能耗降低的同时,其性能有望得到大幅提升。

  英特尔展示了下一代芯片的设计。新晶体管在设计上采用3D栅极而非平面栅极,明年就会在该公司的微芯片生产厂投入生产。该公司表示,3D架构将使芯片密度提高一倍,同时还能提高性能、降低功耗。该设计首先应用于该公司面向桌面电脑的中央处理器。此后将被整合到英特尔公司的移动和手持芯片系列产品——Atom的研发制造中。

  英特尔公司表示,此款芯片将是第一个大容量3D晶体管产品。在低功耗的低电压模式下,它比公司当前产品的速度提升37%,而在规定的开关速度下,功耗则较之降低一半。需要提到的是,功耗对于手持设备来说非常重要,因为它决定了电池续航时间的长短。另外对于组建云计算的高耗能服务器群来说,它也是至关重要的指标。

  当今市面上最好的芯片使用32纳米的平面晶体管,而下一代芯片将使用22纳米晶体管。为了在更小的空间封装更多的处理能力,同时使功耗需求低于上限,该公司必须转而开发新架构。英特尔公司技术和制造部总经理William Holt 表示,“超越平面架构变得极为困难”。该公司22纳米芯片将全部采用3D晶体管。

  当传统晶体管变得越来越小,它们通常要遭受所谓的“溢出”问题的困扰。换句话说,就是当晶体管处在“关闭”状态,少量的电流仍然能够流过。如果这样的话,结果只会导致错误和能量泄漏。英特尔表示,3D架构不容易出现这种问题。

  传统晶体管使用一个叫做“栅极”的金属电极,以控制电子在平面硅基片上的沟道中的流动。当由栅极施加的电流足够强的时候,电子会在源极和栅极之间进行流动。英特尔的3D架构也具有这些相同的基本元件,但是,它的电子沟道却是一个凸起的、三面环绕栅级的硅鳍片,而非平面的沟道。这样可以使栅极和沟道之间通过尽可能多的电流,反而使其更容易控制,更利于大幅减少电子溢出。通过将单个晶体管中的一组电极与多个鳍片进行连接,能够使这种驱动电流增强的晶体管获得更高的性能。

  该公司从2002年起就开始研发3D晶体管。英特尔高级研究员Mark Bohr 表示,“真正的挑战是准备量产”,他推测,该公司凭借这项技术,可以在三年内领先于其他芯片厂商。

  英特尔公司表示,3D晶体管不需要任何新制造技术,只是额外的蚀刻工艺将使生产成本小幅上升。

  该公司表示,3D架构也将进一步拓展到采用14纳米晶体管的下一代芯片。除此之外,还需要一些新东西。Bohr说,“在这个时代,我们不能再缩减晶体管尺寸了,也不能指望在这方面有更大的飞跃,我们必须持续创新,发明新架构和材料”。

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3D晶体管技术解析编辑本段回目录

  2011年5月4日,英特尔公司宣布在晶体管发展上取得了革命性的重大突破。晶体管是现代电子设备的微小元件,自50多年前硅晶体管发明以来,3-D结构晶体管史无前例将首次投入批量生产。英特将推出被称为三栅级(Tri-Gate)的革命性3-D晶体管设计,并将批量投产研发代号Ivy Bridge的22纳米芯片。

  自1947年晶体管问世以来,晶体管技术飞速发展。为开发更强大、成本效益更好、能效更高的产品铺平了道路,要想按照摩尔定律的步调不断进步,就必须进行大量创新。近期值得关注的创新成果是应变硅和高-K金属栅极。现在,英特尔将为晶体管设计带来另一项革命这将在各种计算设备(从服务器到台式机,从笔记本电脑到手持设备)中实现前所未有的高性能和能效。

Intel 3-D三栅极晶体管

  3-D三栅级晶体管代表着从2-D平面晶体管结构的根本性转变。几十年来,2-D晶体管不仅在计算机、手机、消费电子产品中得到了广泛应用,还用于汽车、航空、家用电器、医疗设备以及数千种日用设备的电子控制中。英特尔CEO保罗 欧德宁表示,英特尔科学家和工程师通过采用3-D结构,再一次实现了晶体管革命。随着摩尔定律推进到新的领域,3-D结构将帮助人们打造令人惊叹且能改变世界的设备。

摩尔定律(Moore"s Law)

  科学家早就意识到3-D结构对延续摩尔定律的重要意义,因为面对非常小的设备尺寸,物理定律成为晶体管技术进步的障碍。5月4日宣布的革命性成果,其关键在于英特尔能够把全新的3-D三栅极晶体管设计设入批量生产,开启了摩尔定律又一新时代,并且为各种类型的设备的下一代创新打开了大门。

  摩尔定律:

  摩尔定律预测了硅技术的发展步伐,晶体管密度大约每两年便会增加一倍,同时其功能和性能将提高,而成本则会降低。40多年来,摩尔定律已经成为半导体行业的基本商业模式。

  ● 3-D晶体管能够实现前所未有的能耗节省和性能提升

  英特尔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,3-D三栅极晶体管能够提供前所未有的高性能和高能效。这些能力让芯片设计师可以根据实际的应用需要灵活地选用低能耗或高性能的晶体管。

Intel 3-D三栅极晶体管

  与之前的32nm平面晶体管相比,22nm 3-D三栅极晶体管在低电压下将性能提高了37%,这一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量进行“开关”操作。全新的晶体管只需消耗不到一半的电量,就可以达到与32nm芯片中2-D平面晶体管一样的性能。

  ● 3-D晶体管问世将继续创新步伐-摩尔定律

  要在22nm制程时代延续摩尔定律是一项导常复杂的技术。英特尔科学家们在2002年发明了三栅极晶体管,这是根据栅极有三面而取名的。得益于英特尔高度协同的研究-开发-制造技术的集成作业,5月4日宣布的技术突破是多年研发的成果,也标志着3-D三栅极晶体管成果开始进入批量生产阶段。

Intel 3-D三栅极晶体管模型

  3-D三栅极晶体管实现晶体管的革命性突破。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,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。

  英特尔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。这是摩尔定律追求技术和经济效益的关键所在。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。

  ● 3-D三栅极晶体管首次将用于22nm Ivy Bridge处理器

  3-D三栅极晶体管将在英特尔下一代22nm制程技术中采用。单个晶体管究竟有多大,实际在一个英文句点的面积上就可以容纳超过600万个22nm三栅极晶体管。

  5月4日,英特尔展示了全球首个研发代号为Ivy Bridge的22nm微处理器,该处理器可用于笔记本电脑、服务器和台式机。基于Ivy Bridge的英特尔酷睿系列处理器将是首批采用3-D三栅极晶体管进行批量生产的芯片。Ivy Bridge预计将在年底前投入批量生产。

3-D晶体管首次将用于Ivy Bridge处理器

  该项硅技术的突破也将有助于交付更多基于高度集成的英特尔凌动(Atom)处理器产品,以扩展英特尔架构的性能、功能和软件兼容性,同时满足各种细分市场对能耗、成本和设计尺寸的整体需求。

  全文总结:

  硅晶体管史上第一次进入3-D时代。英特尔推出的三栅极晶体管将晶体管通道增加到第三维度。其结果就是能够更好地控制晶体管、最大程度利用晶体管开启状态时的电流,并且在关闭状态时最大程度减少电流。英特尔在新的半导体技术中引入22nm创新,这将确保摩尔定律在可预见的未来仍将继续生效,3-D三栅极晶体管的问世也将成为晶体管发展的新的里程碑。

三维晶体管背后的故事编辑本段回目录

三维晶体管走出实验室

英特尔刚刚公布的其最新三维晶体管设计,1999年始于加州大学伯克利分校实验室,是十余年以来研究和开发的顶峰。

这种22纳米晶体管(英特尔表示它能使芯片速度提高37%并节约一半能量)将被用于英特尔各种22纳米芯片的产品中,包括逻辑和存储电路。采用“三维电子门(tri-gate)”的晶体管处理器已经在工作系统中得到证明,并且英特尔公司将于今年内下半年投入批量生产。设备制造商将如何利用这种芯片尚不清楚,但他们可能会以此延长移动设备的电池寿命并提高精密度,同样也会为台式机和服务器提供更快的处理速度。

提升:在传统晶体管中(左图),一个位于顶端的电子门控制着流经下方平面硅信道的电流。英特尔的最新设计中(右图),硅信道如鱼鳍般突起,因而电子门可以从三个方向联通。这为对流经信道的电流提供了更灵活的控制方法,并降低了能量泄露。
来源:麻省理工科技创业

英特尔转向这一全新设计是由于现有设计已经开始遭遇瓶颈。传统晶体管是由安置在一块平面信道顶端一个名为电子门的金属结构构成的。这个电子门控制着经由该信道从源极流向漏极的电流。每一代芯片,其信道都会变得更小,使得像英特尔这样的公司能够通过集成更多的晶体管而制造出更快速的芯片。但对于电子门,要完全切断电流已经变得更加困难。无法完全关闭的漏电晶体管会浪费能量。

三栅极晶体管(tri-gate transistor)利用在芯片表面竖起的矩形硅信道,使得电子门可以从三个方向联通信道,而不只是一面。这种更为紧密的联系意味着电子门甚至在22纳米工艺下几乎可以完全关闭,这正是英特尔的新型芯片在效能方面获得提高的原因。同样有可能通过制造有着多个电子门彼此相连的硅信道的三栅极晶体管,以提高流经各晶体管的电流总量,从而获得更高的性能。

英特尔并不是这种设计的发明者,但却是首次将其应用于产品的公司。如果该公司在从32纳米向22纳米晶体管转型的过程中接受了平面晶体管,那么这种芯片将在效率和性能方面有20%到30%的提升,行业分析师莱恩里·格温耐普(Linley Gwennap)说。曾有推测表示该公司将仅会把这种新晶体管设计应用于存储元件而不是逻辑元件,因此并不会完全舍弃平面晶体管。通过将三栅极技术应用于存储和逻辑芯片,格温耐普说,“英特尔实际上正在冲击瓶颈并看到性能上的大幅提升,这或许会成为一个(超越其竞争对手的)巨大优势”。

这些三维晶体管最初是由三位加州大学伯克利分校的研究人员在上世纪90年代末设想并建造出来的,作为对美国防御远景研究规划局(United States Defense Advanced Research Projects Agency)的要求为设计25纳米以下晶体管的回应,这是小于当时产品中晶体管技术量级要求的。胡正明(Chenming Hu)在1996年飞往日本的途中为这种新型晶体管书写了技术说明。一个由胡、杰弗里•波哥(Jeffrey Bokor)和Tsu-Jae King Liu组成的小组首先在1999年制造出了这些被称作FinFET的晶体管。

“它当初大获成功,”胡表示。在伯克利的研究人员继续对设计进行改进的同时,学校选择将此知识产权向公众发布而不是申请专利。胡曾向多个公司提出这一项目,包括英特尔。2002年,FinFET以及名为“绝缘硅(silicon on insulator)”的伯克利第二项设计被《国际半导体技术蓝图》(International Technology Roadmap of Semiconductors)誉为有可能满足行业今后15年需求的技术。但至少在英特尔, FinFET领先第二项设计,这种设计需要向晶体管中加入一层很薄的硅。大约两年前,生产硅晶圆的公司还不能使活动层足够薄。法国公司Soitec现在已经能够为这种设计制造出所需的晶圆,并且胡表示,英特尔的竞争对手可能会在某个时候采用它。

将三维晶体管器件设计从实验室转移到实际产品花费了大约十年时间。有关为制造新型芯片所要做的必要芯片升级的诸多细节英特尔并未透露。但基于对新材料和新机器无明显需要的事实,以及公司承诺产品成本仅有2%到3%的微弱上涨,改进似乎也不会太大。该公司已表示,制造三维晶体管信道仅需一道额外的蚀刻工序。

胡表示,伯克利的研究人员从开始就决定他们的最新设计将要与业内已有基础设备兼容,而且也证明事实如此。胡表示,使该技术投入量产的主要障碍或许就是要解决可靠性问题:当数以亿计的极薄的三维信道制造在一块独立晶圆上时,要使它们可控。

胡表示,伯克利小组设计了这些三极管,因此他们不需要电路设计师来完整地重新设计芯片架构。这是为什么英特尔能够如此之快地开发出产品的部分原因。在过去的五年里,胡的小组一直将电路模拟工具应用于三栅极晶体管。

然而,电路设计师们看到了可能由这些三极管带来的新机遇。他们为改变各电子门提供了新的方法,这“给了设计师们可以把玩的新玩意儿以进一步提高能效和可靠性,”斯坦福大学电气工程及计算机上科学教授萨巴辛·米特拉(Subhasish Mitra)说。看到一款全新的晶体管在约十年的时间跨度中投入量产是一个令人鼓舞的信号,表明这一行业“并没过时”,而且优秀的技术创意仍然可以从学术实验室中脱颖而出,米特拉补充到。

  ● 小知识:晶体管历史和关键里程碑事件编辑本段回目录

  1947年:

  William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain在贝尔实验验成功开发出首个晶体管。

  1950年

  William Shockley开发出双极结型晶体管,就是现在通行的标准晶体管。

  1954年:

  首款晶体管收音机Regency TR1上市,这种收音机里面只包含四个锗晶体管。

  1961年:

  罗伯特・诺伊斯获得首个集成电路专利。最初的晶体管对于收音机和电话而言已经足够,但是更新的电子设备要求规格更小的晶体管-集成电路。

  1965年:

  摩尔定律诞生-戈登・摩尔在《电子杂志》发表的文章中预测:未来芯片上晶体管的数量大约每年翻一倍(10年后,修正为每两年翻一倍)。三年后,摩尔和诺伊斯创建了英特尔公司,英文名Intel即“集成电子(Integrated Electronics)”的缩写。

  1969年:

  英特尔开发出首个成功的PMOS硅栅极晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质,但是引入了新的多晶硅栅电极。

  1971年:

  英特尔推出首个微处理器-4004。4004的规格为1/8英寸X1/16英寸,包含2250个晶体管,采用英特尔10微米PMOS技术在2英寸晶圆上产生。

  1985年:

  英特尔386微处理器问世,含有275000个晶体管,是最初4004晶体管数量的100多倍。386是32位芯片,具备多任务处理能力,可同时运行多个程序。最初是使用1.5微米CMOS技术制造的。

  2002年:

  英特尔发布了90纳米制程技术的若干技术突破,包括高性能、低功耗晶体管,应变硅,高速铜质接头和新型低-K介质材料。这是业内首次在生产工艺中采用应变硅。

  2007年:

  英特尔公布采用突破性的晶体管材料-高-K金属栅极。英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器―英特尔酷睿2双核、英特尔酷睿2四核处理器以及英特尔至强系列多处理器的数以亿计的45纳米晶体管中用来构建绝缘“墙”和开关“门”,研发代号为Penryn.

  2011年5月3日:

  英特尔宣布将批量生产一种全新的晶体管设计。三栅极晶体管将在各种计算设备中(从服务器到台式机,从笔记本电脑到手持式设备)实现前所未有的高性能和能效。


ARM:不惧怕Intel 3-D晶体管编辑本段回目录

Intel上周宣布了革命性的3-D Tri-Gate三栅极晶体管技术,“重新发明晶体管”的说法虽有夸张但也令人赞叹。对此,作为老对头的AMD还没有做出任何回应,不过近来势头凶猛的ARM倒是发言了。

ARM市场部执行副总裁Ian Drew表示:“对我们来说,这一宣布并没什么意外,因为我们都知道,整个产业也都明白,Intel已经在这种技术上工作了很多年。你必须时刻紧盯竞争对手,但我们相信ARM生态系统的力量足够与之竞争。

Intel宣布3-D晶体管一事早早就做了预告,但卖了个关子,没有提前透露任何线索。就在投资者对Intel翘首以盼的时候,ARM的股价出现了严重下跌,直到Intel揭晓谜底之后才略有回升。

Intel苦心研究了将近十年才结出硕果的3-D晶体管将首先用于22nm工艺,也就是Ivy Bridge家族处理器,预计今年底投入量产,明年年初陆续发布。

Intel宣布革命性3-D晶体管 22nm Ivy Bridge尝鲜

(本文来源:驱动之家MyDrivers ) 

参考文献编辑本段回目录

http://news.pconline.com.cn/gnyj/gx/1105/2407989.html
http://www.mittrchinese.com/single.php?p=58513


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标签: 3D晶体管 3-D晶体管 3D晶体管技术

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同义词: Intel 3-D晶体管,3-D晶体管,3D晶体管技术,三维晶体管

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