45nm

编辑:慌张网互动百科 时间:2020-07-03 21:20:27
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1906年,世界第一枚电子器件划时代而生。此后百年间,随着晶体管与集成电路的成功开发,人类开始步入速度惊人的芯片时代。
中文名
45nm
时    间
1906年
相    关
第一枚电子器件划时代而生
属    性
速度惊人的芯片时代
我们知道,能够带来突破性性能与尺寸的新体系结构,需要在更小的体积内放入更多的晶体管数目,需要更高级的芯片制程工艺
从第一颗处理器到90纳米处理器,乃至65纳米处理器都是如此。英特尔把这种以两年为周期的芯片与微体系结构快速发展步调称为“Tick-tock”战略。当硅制程技术“Tick”与微体系结构“Tock”交替发展到65纳米阶段时,进一步突破遇到了难以逾越的瓶颈。
我们知道,一般的晶体管可分为低电阻层、多晶硅栅极和二氧化硅电介层。其中,二氧化硅电介层在65纳米时代已降低至相当于五层原子的厚度,再进一步缩小则会遭遇电介层的漏电而达到极限。
但是,对业界影响深远的摩尔定律并没有因此而失去效力。经历千万次的试验,英特尔将一种熔沸点和强度都极高且抗腐蚀性的新型金属铪(Hf)运用到芯片处理技术当中,创造出英特尔45纳米高K金属栅极硅制程技术层,替换二氧化硅电介层。
英特尔45纳米高K技术能将晶体管间的切换功耗降低近30%,将晶体管切换速度提高20%,而减少栅极漏电10倍以上,源极向漏极漏电5倍以上。这就为芯片带来更低的功耗和更持久的电池使用时间,并拥有更多的晶体管数目以及更小尺寸。
2007年,英特尔发布第一款基于45纳米的四核英特尔至强处理器以及英特尔酷睿2至尊四核处理器,带领世界跨入45纳米全新时代。
难以置信的伟大突破!请继续探索45纳米世界,发现更多惊奇。
高K金属栅极
处理器量产中采用的45nm芯片生产工艺和同时提及的高K-金属栅极有什么关系吗?高K-金属栅极到底是什么?为什么说成功研制高K-金属栅极并将之付诸量产是半导体业界里程碑式的技术变革和突破?
物理极限:突进中的困惑
我们天天说45nm制程,这里我们首先来明确下这个概念。45nm(1μm=1000nm,1nm为10亿分之一米)不是指的芯片上每个晶体管的大小,也不是指用于蚀刻芯片形成电路时采用的激光光源的波长,而是指晶体管栅极的长度。半导体业界习惯上用长度这个工艺尺寸来代表硅芯片生产工艺的水平。另外,的连线尺寸也是一个很重要的标准,在一个技术时代里,比如45nm,线的宽度的是可以缩小的,但是线的高度是不变的。早期的连线采用铝,后来都采用铜连线了。
我们知道,处理器性能的不断提高离不开优秀的核心微架构设计,而芯片生产工艺的更新换代是保证不断创新设计的处理器变为现实的基础。每一次制作工艺的更新换代都给新一轮处理器高速发展铺平了大道。因为线宽越小,晶体管也越小,让晶体管工作需要的电压和电流就越低,晶体管开关的速度也就越快,这样新工艺的晶体管就可以工作在更高的频率下,随之而来的就是芯片性能的提升。
大家习惯了芯片生产工艺两年一次的更新换代,给大家的感觉好像是从65nm到45nm同以前从130nm到90nm,以及从90nm到65nm一样没有什么特别的。根据摩尔定律,就是每18个月,在同样面积的硅片上把两倍的晶体管“塞”进去,从单个晶体管的角度来看,为了延续摩尔定律,我们需要每两年把晶体管的尺寸缩小到原来的一半。现在的工艺已经将晶体管的组成部分做到了几个分子和原子的厚度,组成半导体的材料已经达到了它的物理电气特性的极限。最早达到这个极限的部件是组成晶体管的栅极氧化物——栅极介电质,现有的工艺都是采用二氧化硅(SiO2)层作为栅极介电质(图1)。大家也把源极(Source)和漏极(Drain)之间的部分叫做沟道(Channel),在栅极氧化物上面是栅极(Gate)。
晶体管的工作原理其实很简单,就是用两个状态表示二进制的“0”和“1”。源极和漏极之间是沟道,当没有对栅极(G)施加电压的时候,沟道中不会聚集有效的电荷,源极(S)和漏极(D)之间不会有有效电流产生,晶体管处于关闭状态。可以把这种关闭的状态解释为“0”,当对栅极(G)施加电压的时候,沟道中会聚集有效的电荷,形成一条从源极(S)到漏极(D)导通的通道,晶体管处于开启状态,可以把这种状态解释为“1”。这样二进制的两个状态就由晶体管的开启和关闭状态表示出来了。
我们可以把栅极比喻为控制水管的阀门,开启让水流过,关闭截止水流。晶体管的开启/关闭的速度就是我们说的频率,如果主频是1GHz,也就是晶体管可以在1秒钟开启和关闭的次数达10亿次。
同1995年晶体管中二氧化硅层相比,65nm工艺的晶体管中的二氧化硅层已经缩小到只有前者的十分之一,仅有5个氧原子的厚度了。作为阻隔栅极和下层的绝缘体,二氧化硅层已经不能再进一步缩小了,否则产生的漏电流会让晶体管无法正常工作,如果提高有效工作的电压和电流,会使芯片最后的功耗大到惊人的地步。
从65nm开始,我们已经无法让栅极介电质继续缩减变薄,而且到45nm,晶体管的尺寸要进一步缩小,源极和漏极也靠得更近了,如果不能解决栅极向下的漏电问题以及源极和漏极之间的漏电问题,新一代处理器的问世可能变得遥遥无期。
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设施仪器 计算机学 电器 学科