2009年处理器领域的五枚重磅炸弹(1)(5)

45nm工艺技术

在2007年年末，Intel正式发布了第一款采用45nm工艺制程的处理器，酷睿四核QX9650。由于运用了当时最先进的工艺技术，这款四核处理器虽然身价过万，但依然吸引了不少人的目光，因为他的出现标志着45nm工艺时代的降临。

 

QX9650的问世标志着CPU进入了45nm工艺时代

45nm有何本领？竟然让一颗身价过万的CPU也成为了瞩目的焦点。这一切就要从Intel与AMD两家芯片巨头的45nm工艺入手了。

●Intel —— 突破式的45nm 关键字：High-k + Metal Gate介质引入）

2007年，Intel正式发布了四核心Core 2 Extreme QX9650处理器，由此引领行业抢先来到了45nm的新世界。Intel的45nm采用了突破式的新材料，为晶体管发展四十年来之最大进步。

在过往四十余年的时间中，业内均普遍采用二氧化硅做为制造晶体管栅介质的材料。而在65纳米制程工艺下，Intel公司已经将晶体管二氧化硅栅介质的厚度压缩至1.2纳米，基本上达到了这种传统材料的极限。此时不但使得晶体管在效能增益以及制程提升等方面遭遇瓶颈，过薄的晶体管二氧化硅栅介质亦使得其阻隔上层栅极电流泄漏的能力逐渐降低，漏电率大幅攀升。

 

45纳米新型High-k + Metal Gate介质与传统材料之比较

为了使上述情况得到解决，Intel公司于45纳米Penryn家族处理器中首度引入High-k技术。此种以hafnium铬元素为基础物质的新型材料不但拥有良好的绝缘性，且比传统二氧化硅栅介质更为厚实，能够进一步控制晶体管的漏电率。当然，由于High-k晶体管栅介质与现有晶体管栅极并不兼容，因此Intel公司亦同时拿出新型晶体管栅极材料，使得晶体管内部源极到漏极之间的驱动电流增加20%以上，不仅能够有效提升晶体管效能，亦能够使得晶体管内部源极到漏极之间的漏电率降低5倍左右。

 

Intel公司45纳米High-k + Metal Gate介质示意图

High-k栅介质与Metal Gate栅极的引入能够使得晶体管漏电率较之传统材料降低10倍以上，与65nm制程工艺相比能够在相同耗能下提升20%的时钟频率亦或是在相同时钟频率下拥有更低的耗能。45纳米晶片每秒钟能够进行约三千亿次的开关动作，在以铜与low-k材料搭配组成的内部连接线的作用下，晶片开关速度能够提升20%且耗电量降低30%。

 

Intel运用High-K工艺的45nm晶圆

值得一提的是，在于用于连接硅晶片与基板的内部连接点第一层内5%左右的焊锡中，Intel公司以锡、银、铜的合金取代现有铅、锡为主的焊锡，并宣布于45纳米High-k + Metal Gate产品中全面采用100%无铅工艺制造，对于拥有复杂硅晶片连接结构的处理器技术而言，替换其连接材料绝非易事，Intel公司为此耗费了大量的精力，但其意义无疑是相当深远的。