Intel 22nm工艺3-D结构晶体管技术揭秘

随着Intel下一代处理器Ivy Bridge的各种消息的不断“泄露”，一个与新22nm工艺息息相关的名词也浮出了水面——3-D三栅极晶体管(Tri-Gate Transistor，简称3-D晶体管)。

3-D晶体管究竟是何方神圣，让Intel对其如此推崇？本文即将带你揭秘22nm工艺时代的新宠——3-D晶体管(Tri-Gate Transistor)。

抛开“远古时代”不谈，微处理器芯片工艺从90nm到65nm，经过45nm到达32nm，晶体管越来越小、性能越来越强，而相关设备也不断变得更小、更快、更高效。Intel在早期的研究中就已经发现，如果不对晶体管自身的结构进行重新设计的话，在22nm工艺下不断缩小的晶体管尺寸并不能达到摩尔定律所预期的性能进步与能耗的降低。一场基于芯片的基础微电子原件——晶体管的革命势在必行，而在经历长达十年的研究之后，22nm制程的解决方案终于出台——史无前例，晶体管从22nm开始正式进入3D时代。

创新之路：从90nm到22nm，从平面到三维

处理器芯片的性能进化总是与制作工艺的不断进步相伴随，从130nm工艺到目前已经大量普及的32nm工艺，Intel不断寻找着制程工艺与半导体材质的进化道路。还好，这一路下来随着材质的不断进步，Intel处理器基本按照摩尔定律在不断地向前进化。

图1 处理器制作工艺进化图示

从这张制作工艺的进化图(图1)中我们可以看到，直到32nm时代，每一次Intel处理器制作工艺的进步，都与选择更先进的材料息息相关。

90nm与65nm时代的应变硅

在以Pentium 4 Prescott处理器为典型代表的90nm制程工艺时代，Intel首次发明并使用了应变硅(Strained Silicon)技术。作为90nm制作工艺时代具代表性的特色技术，应变硅的使用让晶体管的电流流动强度提高了20%左右，极大地提高了晶体管的运行速度，并能提高芯片的工作频率。

图2 应变硅结构示意图

但90nm工艺的应变硅技术固然提高了晶体管的“活性”，同时却也有一个瑕疵——漏电现象比较严重。由于不能很好地控制90nm工艺上晶体管的泄露电流问题，也就因此为Prescott处理器带来了额外的高功耗，居高不下的功耗自然也就限制了频率的进一步提升。当年Prescott处理器的“高热”相信不少老玩家应该记忆犹新。因此在两年后，Intel迅速推出了第二代应变硅技术与65nm工艺。

图3 65nm制程的第二代应变硅技术应用实例——Pentium EE 955

在材质上65nm工艺与90nm工艺毫无二致，但得益于第二代应变硅技术的使用，65nm工艺的晶体管在电流泄漏量上仅有90nm工艺产品的1/4甚至更少，而且在第二代应变硅技术的帮助下，65nm工艺晶体管的响应速度相比90nm提升了近30%，功耗降低而性能得到了增强。