英特尔再掀科技革命 3D晶体管技术解析

 2011年5月4日，英特尔公司宣布在晶体管发展上取得了革命性的重大突破。晶体管是现代电子设备的微小元件，自50多年前硅晶体管发明以来，3-D结构晶体管史无前例将首次投入批量生产。英特将推出被称为三栅级(Tri-Gate)的革命性3-D晶体管设计，并将批量投产研发代号Ivy Bridge的22纳米芯片。

　　自1947年晶体管问世以来，晶体管技术飞速发展。为开发更强大、成本效益更好、能效更高的产品铺平了道路，要想按照摩尔定律的步调不断进步，就必须进行大量创新。近期值得关注的创新成果是应变硅和高-K金属栅极。现在，英特尔将为晶体管设计带来另一项革命这将在各种计算设备(从服务器到台式机，从笔记本电脑到手持设备)中实现前所未有的高性能和能效。

Intel 3-D三栅极晶体管

　　3-D三栅级晶体管代表着从2-D平面晶体管结构的根本性转变。几十年来，2-D晶体管不仅在计算机、手机、消费电子产品中得到了广泛应用，还用于汽车、航空、家用电器、医疗设备以及数千种日用设备的电子控制中。英特尔CEO保罗 欧德宁表示，英特尔科学家和工程师通过采用3-D结构，再一次实现了晶体管革命。随着摩尔定律推进到新的领域，3-D结构将帮助人们打造令人惊叹且能改变世界的设备。

摩尔定律(Moore"s Law)

　　科学家早就意识到3-D结构对延续摩尔定律的重要意义，因为面对非常小的设备尺寸，物理定律成为晶体管技术进步的障碍。5月4日宣布的革命性成果，其关键在于英特尔能够把全新的3-D三栅极晶体管设计设入批量生产，开启了摩尔定律又一新时代，并且为各种类型的设备的下一代创新打开了大门。

　　摩尔定律：

　　摩尔定律预测了硅技术的发展步伐，晶体管密度大约每两年便会增加一倍，同时其功能和性能将提高，而成本则会降低。40多年来，摩尔定律已经成为半导体行业的基本商业模式。

　　● 3-D晶体管能够实现前所未有的能耗节省和性能提升

　　英特尔3-D三栅极晶体管使芯片能够在更低的电压下运行，并进一步减少漏电量，与之前最先进的晶体管相比，3-D三栅极晶体管能够提供前所未有的高性能和高能效。这些能力让芯片设计师可以根据实际的应用需要灵活地选用低能耗或高性能的晶体管。

Intel 3-D三栅极晶体管

　　与之前的32nm平面晶体管相比，22nm 3-D三栅极晶体管在低电压下将性能提高了37%，这一改进意味着它们将是小型手持设备的理想选择。这种设备要求晶体管在运行时只用较少的电量进行“开关”操作。全新的晶体管只需消耗不到一半的电量，就可以达到与32nm芯片中2-D平面晶体管一样的性能。

　　● 3-D晶体管问世将继续创新步伐-摩尔定律

　　要在22nm制程时代延续摩尔定律是一项导常复杂的技术。英特尔科学家们在2002年发明了三栅极晶体管，这是根据栅极有三面而取名的。得益于英特尔高度协同的研究-开发-制造技术的集成作业，5月4日宣布的技术突破是多年研发的成果，也标志着3-D三栅极晶体管成果开始进入批量生产阶段。

Intel 3-D三栅极晶体管模型

　　3-D三栅极晶体管实现晶体管的革命性突破。传统“扁平”的2-D平面栅极被超级纤薄的，从硅基体垂直竖起的3-D硅鳍状物所代替。电流控制是通过在鳍状物三面的每一面安装一个栅极而实现的，而不是像2-D平面晶体管那样，只在顶部有一个栅极。更多控制可以使晶体管在“开”的状态下让尽可能多的电流通过(高性能)，而在“关”的状态下尽可能让电流接近零(低能耗)，同时还能在两种状态之间迅速切换。

　　英特尔3-D三栅极晶体管结构提供了一种管理晶体管密度的方式。由于这些鳍状物本身是垂直的，晶体管也能更紧密地封装起来。这是摩尔定律追求技术和经济效益的关键所在。设计师还可以不断增加鳍状物的高度，从而获得更高的性能和能效。

　　● 3-D三栅极晶体管首次将用于22nm Ivy Bridge处理器

　　3-D三栅极晶体管将在英特尔下一代22nm制程技术中采用。单个晶体管究竟有多大，实际在一个英文句点的面积上就可以容纳超过600万个22nm三栅极晶体管。

　　5月4日，英特尔展示了全球首个研发代号为Ivy Bridge的22nm微处理器，该处理器可用于笔记本电脑、服务器和台式机。基于Ivy Bridge的英特尔酷睿系列处理器将是首批采用3-D三栅极晶体管进行批量生产的芯片。Ivy Bridge预计将在年底前投入批量生产。

3-D晶体管首次将用于Ivy Bridge处理器

　　该项硅技术的突破也将有助于交付更多基于高度集成的英特尔凌动(Atom)处理器产品，以扩展英特尔架构的性能、功能和软件兼容性，同时满足各种细分市场对能耗、成本和设计尺寸的整体需求。

　　全文总结：

　　硅晶体管史上第一次进入3-D时代。英特尔推出的三栅极晶体管将晶体管通道增加到第三维度。其结果就是能够更好地控制晶体管、最大程度利用晶体管开启状态时的电流，并且在关闭状态时最大程度减少电流。英特尔在新的半导体技术中引入22nm创新，这将确保摩尔定律在可预见的未来仍将继续生效，3-D三栅极晶体管的问世也将成为晶体管发展的新的里程碑。

　　● 小知识：晶体管历史和关键里程碑事件

　　1947年：

　　William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain在贝尔实验验成功开发出首个晶体管。

　　1950年：

　　William Shockley开发出双极结型晶体管，就是现在通行的标准晶体管。

　　1954年：

　　首款晶体管收音机Regency TR1上市，这种收音机里面只包含四个锗晶体管。

　　1961年：

　　罗伯特・诺伊斯获得首个集成电路专利。最初的晶体管对于收音机和电话而言已经足够，但是更新的电子设备要求规格更小的晶体管-集成电路。

　　1965年：

　　摩尔定律诞生-戈登・摩尔在《电子杂志》发表的文章中预测：未来芯片上晶体管的数量大约每年翻一倍(10年后，修正为每两年翻一倍)。三年后，摩尔和诺伊斯创建了英特尔公司，英文名Intel即“集成电子(Integrated Electronics)”的缩写。

　　1969年：

　　英特尔开发出首个成功的PMOS硅栅极晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质，但是引入了新的多晶硅栅电极。

　　1971年：

　　英特尔推出首个微处理器-4004。4004的规格为1/8英寸X1/16英寸，包含2250个晶体管，采用英特尔10微米PMOS技术在2英寸晶圆上产生。

　　1985年：

　　英特尔386微处理器问世，含有275000个晶体管，是最初4004晶体管数量的100多倍。386是32位芯片，具备多任务处理能力，可同时运行多个程序。最初是使用1.5微米CMOS技术制造的。

　　2002年：

　　英特尔发布了90纳米制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-K介质材料。这是业内首次在生产工艺中采用应变硅。

　　2007年：

　　英特尔公布采用突破性的晶体管材料-高-K金属栅极。英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器―英特尔酷睿2双核、英特尔酷睿2四核处理器以及英特尔至强系列多处理器的数以亿计的45纳米晶体管中用来构建绝缘“墙”和开关“门”，研发代号为Penryn.

　　2011年5月3日：

　　英特尔宣布将批量生产一种全新的晶体管设计。三栅极晶体管将在各种计算设备中（从服务器到台式机，从笔记本电脑到手持式设备）实现前所未有的高性能和能效。