5月4日，英特爾公司美國加州總部宣布在晶體管發(fā)展上取得了革命性的重大突破。晶體管是現(xiàn)代電子設(shè)備的微小的元件。自50多年前硅晶體管發(fā)明以來， 3D結(jié)構(gòu)晶體管史無前例將首次投入批量生產(chǎn)。英特爾將推出被稱為三柵極(Tri-Gate)的革命性3D晶體管設(shè)計(英特爾曾在2002年首次披露)，并將批量投產(chǎn)研發(fā)代號Ivy Bridge的22nm英特爾芯片。





這款3D三柵極晶體管代表著從2D平面晶體管結(jié)構(gòu)的根本性轉(zhuǎn)變。幾十年來，2D晶體管不僅一直在計算機、手機、消費電子產(chǎn)品中得到了廣泛應(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。

英特爾公司總裁兼首席執(zhí)行官歐德寧(Paul Otellini)表示：“英特爾的科學(xué)家和工程師通過采用3D結(jié)構(gòu)，再一次實現(xiàn)了晶體管的革命。隨著我們把摩爾定律推進(jìn)到新的領(lǐng)域，3D結(jié)構(gòu)將幫助我們打造令人驚嘆且能改變世界的設(shè)備?！?br>
科學(xué)家早就意識到3D結(jié)構(gòu)對于延續(xù)摩爾定律的重要意義，因為面對非常小的設(shè)備尺寸，物理定律成為晶體管技術(shù)進(jìn)步的障礙。今天宣布的革命性成果，其關(guān)鍵在于英特爾能夠把全新的3D三柵極晶體管設(shè)計投入批量生產(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。

摩爾定律預(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一倍，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。

實現(xiàn)前所未有的能耗節(jié)省和性能提升

英特爾的3D三柵極晶體管使芯片能夠在更低的電壓下運行，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)計師可以根據(jù)應(yīng)用的需求靈活地選用低能耗或高性能晶體管。

與之前的32nm平面晶體管相比，22nm 3D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32nm芯片中2D平面晶體管一樣的性能。

英特爾高級院士馬博(Mark Bohr)表示：“英特爾獨一無二的3D三柵極晶體管實現(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)計師能夠靈活地將現(xiàn)有設(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)一步擴大英特爾在半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)先優(yōu)勢?！?br>
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(Gordon Moore)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。正因為如此，英特爾一直堅持推動創(chuàng)新和集成，為每個芯片添加更多功能和計算內(nèi)核，從而提高性能，并降低單個晶體管的制造成本。

要在22nm制程時代延續(xù)摩爾定律，這是一項異常復(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)(research-development-manufacturing pipeline)，今天宣布的技術(shù)突破是多年研發(fā)的成果，也標(biāo)志著這項成果開始進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。

3D三柵極晶體管實現(xiàn)晶體管的革命性突破。傳統(tǒng)“扁平的”2D平面柵極被超級纖薄的、從硅基體垂直豎起的3D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現(xiàn)的(兩側(cè)和頂部各有一個柵極)，而不是像2D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(這也是為了達(dá)到高性能)。

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3D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)鍵點所在。未來，設(shè)計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。



“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，”摩爾指出：“今天這種在基本結(jié)構(gòu)層面上的改變，是一種真正革命性的突破，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。”

全球首次展示22nm 3D三柵極晶體管

3D三柵極晶體管將在英特爾下一代22nm制程技術(shù)中采用。單個晶體管到底有多大呢?實際上，在雜志上一個“.”符號所占的面積上就可容納超過600萬個22nm三柵極晶體管。

這一天，英特爾展示了全球首個研發(fā)代號為Ivy Bridge的22nm微處理器，可用于筆記本電腦、服務(wù)器和臺式機?；贗vy Bridge的英特爾酷睿系列處理器將是首批采用3D三柵極晶體管進(jìn)行批量生產(chǎn)的芯片。Ivy Bridge預(yù)計將在年底前投入批量生產(chǎn)。

這項硅技術(shù)的突破也將有助于交付更多基于高度集成的英特爾凌動處理器的產(chǎn)品，以擴展英特爾架構(gòu)的性能、功能和軟件兼容性，同時滿足各種細(xì)分市場對能耗、成本和設(shè)計尺寸的整體需求。

硅晶體管里程碑

硅晶體管史上第一次進(jìn)入3D時代。英特爾推出了三柵極晶體管，其中晶體管通道增加到第三維度。電流是從通道的三面(頂部、左側(cè)和右側(cè))來控制的，而不是像傳統(tǒng)平面晶體管一樣，只從頂部控制。最終的結(jié)果就是能夠更好地控制晶體管、最大程度利用晶體管開啟狀態(tài)時的電流(實現(xiàn)最佳性能)，并且在關(guān)閉狀態(tài)時最大程度減少電流(降低漏電)。

英特爾在新的半導(dǎo)體技術(shù)中引入了22nm創(chuàng)新，這將確保摩爾定律在可預(yù)見的未來仍將繼續(xù)生效。讓我們一起回顧晶體管的歷史和關(guān)鍵里程碑事件：

* 1947年12月16日：William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain在貝爾實驗室成功開發(fā)出首個晶體管。

* 1950年：William Shockley開發(fā)出雙極結(jié)型晶體管，就是現(xiàn)在通行的標(biāo)準(zhǔn)晶體管。

* 1954年10月18日：首款晶體管收音機Regency TR1上市，這種收音機里面只包含四個鍺晶體管。[!--empirenews.page--]

* 1961年4月25日：羅伯特·諾伊斯獲得首個集成電路專利。最初的晶體管對于收音機和電話而言已經(jīng)足夠了，但是更新的電子設(shè)備要求規(guī)格更小的晶體管——集成電路。

* 1965年：摩爾定律誕生——戈登·摩爾在《電子雜志》發(fā)表的文章中預(yù)測：未來芯片上晶體管的數(shù)量大約每年翻一倍(10年后，修正為每兩年翻一倍)。三年后，摩爾和諾伊斯創(chuàng)建了英特爾公司，英文名Intel即“集成電子(integrated electronics)”的縮寫。

* 1969年：英特爾開發(fā)出首個成功的PMOS硅柵極晶體管技術(shù)。這些晶體管繼續(xù)使用傳統(tǒng)的二氧化硅(SiO2)柵介質(zhì)，但是引入了新的多晶硅柵電極。

* 1971年：英特爾推出首個微處理器——4004。4004的規(guī)格為1/8英寸×1/16英寸，包含2250個晶體管，采用英特爾10μmPMOS技術(shù)在2英寸晶圓上生產(chǎn)。

* 1985年：英特爾386微處理器問世，含有275,000個晶體管，是最初4004晶體管數(shù)量的100多倍。386是32位芯片，具備多任務(wù)處理能力，可同時運行多個程序。最初是使用1.5μmCMOS技術(shù)制造的。

* 2002年8月13日：英特爾發(fā)布了90nm制程技術(shù)的若干技術(shù)突破，包括高性能、低功耗晶體管，應(yīng)變硅，高速銅質(zhì)接頭和新型低-k介質(zhì)材料。這是業(yè)內(nèi)首次在生產(chǎn)工藝中采用應(yīng)變硅。

* 2007年9月：英特爾公布采用突破性的晶體管材料——高-k金屬柵極。英特爾將采用這些材料在公司下一代處理器——英特爾酷睿2雙核、英特爾酷睿2四核處理器以及英特爾至強系列多核處理器的數(shù)以億計的45nm晶體管中用來構(gòu)建絕緣“墻”和開關(guān)“門”，研發(fā)代號為Penryn。

* 2011年5月3日——英特爾宣布將批量生產(chǎn)一種全新的晶體管設(shè)計。三柵極晶體管將在各種計算設(shè)備中(從服務(wù)器到臺式機，從筆記本電腦到手持式設(shè)備)實現(xiàn)前所未有的高性能和能效。

蘇鋒