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先进的High-K绝缘材料使效能提高

绿色环保新趋势 45纳米与65纳米技术对比

CNET中国·ZOL 作者:中关村在线 王智超 【原创】 2007年11月15日 17:14 评论

  晶体管发热和电流漏电现象是阻碍晶体管变小的一个重要原因,因此,新一代Penryn处理器家族将采用全新材料制作的45nm晶体管绝缘层(insulating wall)和开关闸极 (switching gate),减低晶体管漏电(electrical leakage)情况。

  为能达到大幅降低漏电情形且可同时提升效能目标,Intel采用被称为High-k的新材料制作晶体管闸极电介质(transistor gate dielectric),而晶体管闸极的电极 (transistor gate electrode)也将搭配采用全新金属材料组合,增加驱动电流20%以上,不仅提升晶体管效能,同时源极 - 汲极 (source-drain) 漏电也可减少逾5倍,明显改善晶体管耗电量。


45纳米与65纳米技术对比(未完成)  45纳米与65纳米技术对比(未完成)
英特尔High-K技术示意图

  据了解,由于二氧化硅具有易制性 (manufacturability),且能减少厚度以持续改善晶体管效能,因此过去40余年来,业者主要均采用二氧化硅做为制作闸极电介质的材料。

  虽然Intel于导入65纳米制程时,已全力将二氧化硅闸极电介质厚度降低至1.2纳米,相当于5层原子,但由于晶体管缩至原子大小的尺寸时,耗电和散热亦会同时增加,产生电流浪费和不必要的热能,因此若继续采用目前材料,进一步减少厚度,闸极电介质的漏电情况势将会明显攀升,令缩小晶体管技术遭遇极限。

  为解决此关键问题,Intel正规划改用较厚的High-k材料(铪hafnium元素为基础的物质)作为闸极电介质,取代沿用至今已超过40年的二氧化硅,此举也成功令漏电量降低10倍以上。

  由于High-k闸极电介质和现有硅闸极并不兼容,Intel全新45纳米晶体管设计也必须开发新金属闸极材料,目前新金属的细节仍属商业机密,Intel现阶段尚未说明其金属材料的组合。

  另与上一代技术相较,Intel的45奈制程令晶体管密度提升近2倍,得以增加处理器的晶体管总数或缩小处理器体积,令产品较对手更具竞争力,此外,晶体管开关动作所需电力更低,耗电量减少近30%,内部连接线 (interconnects) 采用铜线搭配 low-k电介质,顺利提升效能并降低耗电量,开关动作速度约加快 20%。

  值得注意的是,Intel成功令新一代 45 纳米制程产品的漏电情况降低逾5倍,其中晶体管闸极氧化物漏电量更降低超过10倍,相较上代65纳米制程产品,在同一功耗表现下,频率下可提升约20%,或是在同一频率下功耗更低,电池续航力也明显大幅提升。

  另一方面,Intel使用创新设计法则和先进光罩技术,将193纳米干式微影技术 (dry lithography) 延伸应用在45纳米处理器上,全力发挥成本优势和高易制性。

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