觀點(diǎn)：22納米3D晶體管是否足以使英特爾擊敗ARM？
[導(dǎo)讀]英特爾最近發(fā)布了22納米三柵極晶體管技術(shù)(參閱電子工程專輯報(bào)道：圖解英特爾提前量產(chǎn)3D晶體管，進(jìn)入22nm時(shí)代)，市場(chǎng)研究公司IHS iSuppli認(rèn)為該技術(shù)使得這家世界第一的芯片廠商得以進(jìn)軍智能手機(jī)與多媒體平板市場(chǎng)、同時(shí)
英特爾最近發(fā)布了22納米三柵極晶體管技術(shù)(參閱電子工程專輯報(bào)道：圖解英特爾提前量產(chǎn)3D晶體管，進(jìn)入22nm時(shí)代)，市場(chǎng)研究公司IHS iSuppli認(rèn)為該技術(shù)使得這家世界第一的芯片廠商得以進(jìn)軍智能手機(jī)與多媒體平板市場(chǎng)、同時(shí)又能保護(hù)PC業(yè)務(wù)免遭ARM侵蝕。
英特爾上周推出的22納米工藝被稱為三柵極晶體管，采用了英特爾朝思暮想的3D晶體管設(shè)計(jì)。英特爾提供的資料顯示采用該技術(shù)的芯片功耗將比采用32納米工藝的同性能傳統(tǒng)平面晶體管低50%以上。
HIS首席計(jì)算平臺(tái)研究分析師Matthew Wilkins說(shuō)：“50％的功耗下降很顯著，功耗越低、電池續(xù)航時(shí)間越長(zhǎng)，用戶真正移動(dòng)的時(shí)間也就越長(zhǎng)?！?br>
英特爾一直想增強(qiáng)自己在移動(dòng)領(lǐng)域里的影響力，在此領(lǐng)域能效比更好的ARM架構(gòu)非常受歡迎。盡管英特爾的高管們說(shuō)今年至少有一款智能手機(jī)會(huì)采用Atom處理器，但事實(shí)上Atom處理器一直無(wú)法遏制ARM在手機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展勢(shì)頭。今年三月英特爾高級(jí)副總裁、超移動(dòng)事業(yè)部(Ultra Mobility)總經(jīng)理Anand Chandrasekher的離職就被外界廣泛認(rèn)為是由于在任期間未能拿出成績(jī)的結(jié)果。
IHS無(wú)線通信業(yè)務(wù)首席分析師Francis Sideco表示：“沿著納米路線向前沖對(duì)英特爾突破移動(dòng)市場(chǎng)絕對(duì)有幫助。不過(guò)那僅僅是一部分，這類設(shè)備要達(dá)到高能效比還需要系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化?！?br>
左側(cè)是32納米平面晶體管，黃點(diǎn)代表的電流從柵極下的平面流過(guò)；右側(cè)是22納米三柵極晶體管，電流從垂直鰭的三面流過(guò)。
英特爾在自己一直占據(jù)主導(dǎo)地位的PC微處理器市場(chǎng)也面臨著ARM處理器的挑戰(zhàn)。微軟在今年一月份宣布下一代Windows操作系統(tǒng)將同時(shí)運(yùn)行于X86和ARM架構(gòu)，有推測(cè)說(shuō)能效比更好、成本更低的ARM處理器將會(huì)打入英特爾的市場(chǎng)，特別是筆記本市場(chǎng)。
但根據(jù)IHS的分析，三柵極技術(shù)將讓X86在與ARM的對(duì)決中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。從功耗角度來(lái)看，X86在筆記本、上網(wǎng)本、平板和智能手機(jī)領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越有競(jìng)爭(zhēng)力。
IHS指出3D結(jié)構(gòu)概念并不是一個(gè)新的芯片生產(chǎn)工藝——臺(tái)積電和ARM都已經(jīng)研發(fā)了好幾年。但和這兩家公司不同的是，英特爾的三柵極技術(shù)已經(jīng)可以量產(chǎn)——這是一個(gè)重大技術(shù)成就。
IHS半導(dǎo)體生產(chǎn)總分析師Len Jelinek表示：“量產(chǎn)能力意味著英特爾在生產(chǎn)上超過(guò)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的優(yōu)勢(shì)達(dá)到二三年?！盝elinek補(bǔ)充說(shuō)英特爾三柵極技術(shù)的其它優(yōu)勢(shì)還包括可擴(kuò)展性、成本、產(chǎn)品路線圖以及無(wú)需使用特殊晶圓。
IHS表示三柵極技術(shù)可以在下一代光刻工具到來(lái)后達(dá)到低于20納米的水平，在性能、功耗成本上取得更大優(yōu)勢(shì)。三柵極技術(shù)的生產(chǎn)成本僅比傳統(tǒng)平面技術(shù)高2%－3%。
三柵極技術(shù)也讓英特爾得以將22納米工藝延伸至Atom平臺(tái)，有可能帶來(lái)更低功耗的微架構(gòu)，有望被用于手機(jī)。IHS認(rèn)為轉(zhuǎn)型到三柵極晶體管意味著英特爾可以在不使用SOI(絕緣層上硅)的情況下生產(chǎn)耗盡型晶體管，免去了采購(gòu)昂貴的SOI晶圓的成本。
Wikins說(shuō)AMD公司在最近幾年也在竭力降低功耗。AMD最近發(fā)布的APU在一塊芯片里整合了微處理器內(nèi)核與圖形處理器。AMD新處理器的目標(biāo)同樣是在系統(tǒng)級(jí)別延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。
英特爾難憑3D芯片稱霸手機(jī)市場(chǎng)
英特爾推出下一代芯片技術(shù)，在微處理器裝上更多的晶體管，并希望借此幫助公司掌握平板、智能手機(jī)市場(chǎng)的話語(yǔ)權(quán)。
按照英特爾的計(jì)劃，2011年底將推出采用新技術(shù)的芯片，提供給服務(wù)器和臺(tái)式機(jī)、筆記本，它還會(huì)為移動(dòng)設(shè)備開發(fā)新的處理器。
雖然受英特爾新技術(shù)發(fā)布消息刺激，ARM的股價(jià)一度大跌7.3%，在倫敦收于5.58英磅。但是Matrix分析師阿德里安(Adrien Bommelaer)認(rèn)為，英特爾是否能迅速闖進(jìn)ARM的領(lǐng)土，還未可知。他說(shuō)：“英特爾顯然想跳出核心PC市場(chǎng)的范圍。關(guān)鍵問(wèn)題是‘它們能推出一款處理器，足夠強(qiáng)大，可以在移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域一爭(zhēng)高下嗎？’”“它們將推出新的芯片，比上一代32納米芯片節(jié)能50%，朝正確方向前進(jìn)了一大步，但是否足夠？我不知道。要知道ARM自己的能效也在進(jìn)步。”
Gartner分析師指出，英特爾新3D三柵極設(shè)計(jì)將不足以成就該公司在移動(dòng)市場(chǎng)的野心。Gartner副總裁Ken Dulaney表示，英特爾將采用突破技術(shù)支持Ivy Bridge 22納米處理器，但它的設(shè)計(jì)將不足以進(jìn)入移動(dòng)市場(chǎng)。
現(xiàn)在的智能手機(jī)與平板計(jì)算機(jī)幾乎都是基于ARM架構(gòu)芯片，而非英特爾的x86架構(gòu)，因?yàn)?strong>ARM架構(gòu)已被被優(yōu)化成低耗電，因而電池續(xù)航力得以在設(shè)備中獲得良好表現(xiàn)。雖然Ivy Bridge也具有英特爾最引以為傲的低耗電與高效能設(shè)計(jì)。
但是Dulaney指出，英特爾所面臨的一項(xiàng)特殊考驗(yàn)就是通訊技術(shù)。他強(qiáng)調(diào)，英特爾從未在廣域通訊里成功過(guò)。舉例而言，英特爾推行WiMax可謂舉步維艱，也在LTE等4G領(lǐng)域里大幅落后。要知道，這點(diǎn)可是在和手機(jī)制造商打交道時(shí)所應(yīng)具備的最起碼條件。
根據(jù)Dulaney的說(shuō)法，平板計(jì)算機(jī)是個(gè)“相當(dāng)大的智能手機(jī)”，而非小型PC。所以其制造商大多是手機(jī)制造商，它們?cè)缫押偷轮輧x器、高通或是其它通訊芯片商有著良好合作。
制作三柵晶體管的技術(shù)難點(diǎn)
與Intel目前最好的32nm工藝比較，22nm工藝立體型晶體管工作電壓Vdd僅0.7v，平面型晶體管則很難達(dá)到這樣的工作電壓水品，同時(shí)管子的性能則比前者提升37%。同時(shí)，管子的延遲時(shí)間可以在輸入電壓比32nm工藝低0.2v(即0.8V)的條件下保持在原有的水平。
22nm工藝三柵極技術(shù)的晶體管性能基本與32nm工藝一致，但輸入電壓僅0.8V，比后者的1.0V更低，這樣工作狀態(tài)下管子的功耗可減小50%以上。
然而Gartner的分析報(bào)告稱要實(shí)現(xiàn)Finfet技術(shù)，需要克服許多工藝方面的難關(guān)。比如要制造出Finfet晶體管，要求光刻機(jī)的圖像對(duì)準(zhǔn)性能較好?！斑^(guò)去人們認(rèn)為只有采用EUV光刻機(jī)才有可能制造出Finfet晶體管，不過(guò)由于ASML及尼康生產(chǎn)的193nm液浸式光刻機(jī)具有極高的套準(zhǔn)精度，因此也有可能采用這種光刻機(jī)制造出Finfet晶體管。”
Finfet側(cè)墻摻雜密度控制示意圖
另外，盡管采用PIII(Plasma-immersion ion implantation)離子注入工藝可以實(shí)現(xiàn)，但如何保證Fin兩側(cè)漏源極側(cè)面從上到下雜質(zhì)摻雜(目的是減小漏源極的電阻)密度的均勻性則是另外一個(gè)Finfet制造的難題。[!--empirenews.page--]
此外，制造Finfet結(jié)構(gòu)時(shí)蝕刻Fin時(shí)如何保證Fin側(cè)壁的粗糙度控制在一定的水平內(nèi)也是另一個(gè)難題。
英特爾上周推出的22納米工藝被稱為三柵極晶體管，采用了英特爾朝思暮想的3D晶體管設(shè)計(jì)。英特爾提供的資料顯示采用該技術(shù)的芯片功耗將比采用32納米工藝的同性能傳統(tǒng)平面晶體管低50%以上。
HIS首席計(jì)算平臺(tái)研究分析師Matthew Wilkins說(shuō)：“50％的功耗下降很顯著，功耗越低、電池續(xù)航時(shí)間越長(zhǎng)，用戶真正移動(dòng)的時(shí)間也就越長(zhǎng)?！?br>
英特爾一直想增強(qiáng)自己在移動(dòng)領(lǐng)域里的影響力，在此領(lǐng)域能效比更好的ARM架構(gòu)非常受歡迎。盡管英特爾的高管們說(shuō)今年至少有一款智能手機(jī)會(huì)采用Atom處理器，但事實(shí)上Atom處理器一直無(wú)法遏制ARM在手機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展勢(shì)頭。今年三月英特爾高級(jí)副總裁、超移動(dòng)事業(yè)部(Ultra Mobility)總經(jīng)理Anand Chandrasekher的離職就被外界廣泛認(rèn)為是由于在任期間未能拿出成績(jī)的結(jié)果。
IHS無(wú)線通信業(yè)務(wù)首席分析師Francis Sideco表示：“沿著納米路線向前沖對(duì)英特爾突破移動(dòng)市場(chǎng)絕對(duì)有幫助。不過(guò)那僅僅是一部分，這類設(shè)備要達(dá)到高能效比還需要系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化?！?br>
左側(cè)是32納米平面晶體管，黃點(diǎn)代表的電流從柵極下的平面流過(guò)；右側(cè)是22納米三柵極晶體管，電流從垂直鰭的三面流過(guò)。
英特爾在自己一直占據(jù)主導(dǎo)地位的PC微處理器市場(chǎng)也面臨著ARM處理器的挑戰(zhàn)。微軟在今年一月份宣布下一代Windows操作系統(tǒng)將同時(shí)運(yùn)行于X86和ARM架構(gòu)，有推測(cè)說(shuō)能效比更好、成本更低的ARM處理器將會(huì)打入英特爾的市場(chǎng)，特別是筆記本市場(chǎng)。
但根據(jù)IHS的分析，三柵極技術(shù)將讓X86在與ARM的對(duì)決中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。從功耗角度來(lái)看，X86在筆記本、上網(wǎng)本、平板和智能手機(jī)領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越有競(jìng)爭(zhēng)力。
IHS指出3D結(jié)構(gòu)概念并不是一個(gè)新的芯片生產(chǎn)工藝——臺(tái)積電和ARM都已經(jīng)研發(fā)了好幾年。但和這兩家公司不同的是，英特爾的三柵極技術(shù)已經(jīng)可以量產(chǎn)——這是一個(gè)重大技術(shù)成就。
IHS半導(dǎo)體生產(chǎn)總分析師Len Jelinek表示：“量產(chǎn)能力意味著英特爾在生產(chǎn)上超過(guò)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的優(yōu)勢(shì)達(dá)到二三年?！盝elinek補(bǔ)充說(shuō)英特爾三柵極技術(shù)的其它優(yōu)勢(shì)還包括可擴(kuò)展性、成本、產(chǎn)品路線圖以及無(wú)需使用特殊晶圓。
IHS表示三柵極技術(shù)可以在下一代光刻工具到來(lái)后達(dá)到低于20納米的水平，在性能、功耗成本上取得更大優(yōu)勢(shì)。三柵極技術(shù)的生產(chǎn)成本僅比傳統(tǒng)平面技術(shù)高2%－3%。
三柵極技術(shù)也讓英特爾得以將22納米工藝延伸至Atom平臺(tái)，有可能帶來(lái)更低功耗的微架構(gòu)，有望被用于手機(jī)。IHS認(rèn)為轉(zhuǎn)型到三柵極晶體管意味著英特爾可以在不使用SOI(絕緣層上硅)的情況下生產(chǎn)耗盡型晶體管，免去了采購(gòu)昂貴的SOI晶圓的成本。
Wikins說(shuō)AMD公司在最近幾年也在竭力降低功耗。AMD最近發(fā)布的APU在一塊芯片里整合了微處理器內(nèi)核與圖形處理器。AMD新處理器的目標(biāo)同樣是在系統(tǒng)級(jí)別延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。
英特爾難憑3D芯片稱霸手機(jī)市場(chǎng)
英特爾推出下一代芯片技術(shù)，在微處理器裝上更多的晶體管，并希望借此幫助公司掌握平板、智能手機(jī)市場(chǎng)的話語(yǔ)權(quán)。
按照英特爾的計(jì)劃，2011年底將推出采用新技術(shù)的芯片，提供給服務(wù)器和臺(tái)式機(jī)、筆記本，它還會(huì)為移動(dòng)設(shè)備開發(fā)新的處理器。
雖然受英特爾新技術(shù)發(fā)布消息刺激，ARM的股價(jià)一度大跌7.3%，在倫敦收于5.58英磅。但是Matrix分析師阿德里安(Adrien Bommelaer)認(rèn)為，英特爾是否能迅速闖進(jìn)ARM的領(lǐng)土，還未可知。他說(shuō)：“英特爾顯然想跳出核心PC市場(chǎng)的范圍。關(guān)鍵問(wèn)題是‘它們能推出一款處理器，足夠強(qiáng)大，可以在移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域一爭(zhēng)高下嗎？’”“它們將推出新的芯片，比上一代32納米芯片節(jié)能50%，朝正確方向前進(jìn)了一大步，但是否足夠？我不知道。要知道ARM自己的能效也在進(jìn)步。”
Gartner分析師指出，英特爾新3D三柵極設(shè)計(jì)將不足以成就該公司在移動(dòng)市場(chǎng)的野心。Gartner副總裁Ken Dulaney表示，英特爾將采用突破技術(shù)支持Ivy Bridge 22納米處理器，但它的設(shè)計(jì)將不足以進(jìn)入移動(dòng)市場(chǎng)。
現(xiàn)在的智能手機(jī)與平板計(jì)算機(jī)幾乎都是基于ARM架構(gòu)芯片，而非英特爾的x86架構(gòu)，因?yàn)?strong>ARM架構(gòu)已被被優(yōu)化成低耗電，因而電池續(xù)航力得以在設(shè)備中獲得良好表現(xiàn)。雖然Ivy Bridge也具有英特爾最引以為傲的低耗電與高效能設(shè)計(jì)。
但是Dulaney指出，英特爾所面臨的一項(xiàng)特殊考驗(yàn)就是通訊技術(shù)。他強(qiáng)調(diào)，英特爾從未在廣域通訊里成功過(guò)。舉例而言，英特爾推行WiMax可謂舉步維艱，也在LTE等4G領(lǐng)域里大幅落后。要知道，這點(diǎn)可是在和手機(jī)制造商打交道時(shí)所應(yīng)具備的最起碼條件。
根據(jù)Dulaney的說(shuō)法，平板計(jì)算機(jī)是個(gè)“相當(dāng)大的智能手機(jī)”，而非小型PC。所以其制造商大多是手機(jī)制造商，它們?cè)缫押偷轮輧x器、高通或是其它通訊芯片商有著良好合作。
制作三柵晶體管的技術(shù)難點(diǎn)
與Intel目前最好的32nm工藝比較，22nm工藝立體型晶體管工作電壓Vdd僅0.7v，平面型晶體管則很難達(dá)到這樣的工作電壓水品，同時(shí)管子的性能則比前者提升37%。同時(shí)，管子的延遲時(shí)間可以在輸入電壓比32nm工藝低0.2v(即0.8V)的條件下保持在原有的水平。
22nm工藝三柵極技術(shù)的晶體管性能基本與32nm工藝一致，但輸入電壓僅0.8V，比后者的1.0V更低，這樣工作狀態(tài)下管子的功耗可減小50%以上。
然而Gartner的分析報(bào)告稱要實(shí)現(xiàn)Finfet技術(shù)，需要克服許多工藝方面的難關(guān)。比如要制造出Finfet晶體管，要求光刻機(jī)的圖像對(duì)準(zhǔn)性能較好?！斑^(guò)去人們認(rèn)為只有采用EUV光刻機(jī)才有可能制造出Finfet晶體管，不過(guò)由于ASML及尼康生產(chǎn)的193nm液浸式光刻機(jī)具有極高的套準(zhǔn)精度，因此也有可能采用這種光刻機(jī)制造出Finfet晶體管。”
Finfet側(cè)墻摻雜密度控制示意圖
另外，盡管采用PIII(Plasma-immersion ion implantation)離子注入工藝可以實(shí)現(xiàn)，但如何保證Fin兩側(cè)漏源極側(cè)面從上到下雜質(zhì)摻雜(目的是減小漏源極的電阻)密度的均勻性則是另外一個(gè)Finfet制造的難題。[!--empirenews.page--]
此外，制造Finfet結(jié)構(gòu)時(shí)蝕刻Fin時(shí)如何保證Fin側(cè)壁的粗糙度控制在一定的水平內(nèi)也是另一個(gè)難題。
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