Intel 22nm工艺3-D结构晶体管技术揭秘

延续定律之路：深度解析3-D晶体管的特色技术功能

从90nm到22nm，从平面到立体，3-D晶体管到底是何方神圣？它究竟有着怎样的潜力与本领，使得Intel在半导体材料学未能取得实质性进展的条件下将其作为了延续摩尔定律的灵丹妙药？

高性能

由于三个栅极的存在，而且源极/漏极也由平面转为了立体，因此当极限电压加在晶体管上时，三个栅极都会被电流所阻断，此时通过晶体管的总电流就是每个栅极交叉点的电流之和——在相同电压下，与32nm平面晶体管相比，3-D晶体管可以得到并驱动3倍的电流，整体效率提升20%。

显然，3-D晶体管还有一个好处在于工作电压可以降低，要得到与之前平面晶体管相同的电流量，你只需要理论上原来1/3的电压即可驱动相同的电流——工作电压能降得更低，同时栅极的开关速度也可以提高许多。在一份由英特尔高级院士马博主导的3-D晶体管技术特色演示视频中，Intel表示22nm工艺的3-D晶体管的开关速度相比32nm工艺提升幅度将达37%。

图10

让我们来看得更加形象一点。图10中所画的曲线表示的是目前已进入应用阶段的先进制作工艺——32nm晶体管延迟时间随电压的变化曲线。随电压的升高，延迟不断变小——晶体管的性能则不断增强。在超频实践中，更高的频率需要相应更高的核心电压支持，就是这个道理。

图11

如果22nm制作工艺的晶体管也采用平面结构，如图11所示，可以看到相比32nm晶体管其性能的提升大约为20%，但是在低电压下，晶体管的延迟仍然不如人意，甚至有些糟糕。

图12

不过Intel并没有为22nm工艺选择平面结构，而是让晶体管进入了三维时代，所以在22nm的3-D三栅极晶体管帮助下，性能得到了质的飞跃。在晶体管结构未发生本质变化时，每一代工艺的更新带来的性能进步都大约在20%左右，而这次的三维革命直接将晶体管的性能提升了37%，这是前所未有的成就！(图12)