目前大家在評價一款處理器時，最先考慮的往往是它的工作頻率、前端總線、緩存容量等等性能指標，而對處理器背后的生產技術往往視而不見。不知你是否知道，半導體技術的發展，特別是半導體制造工藝的發展，對CPU和顯示芯片的性能起相當重要的作用。

　　從1995年以來，芯片制造工藝的發展十分迅速，先后從0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.09微米一直發展到目前應用的0.065微米，整整花費了10年時間。而每次新制程的引入，都對處理器技術發展動態、處理器性能、處理器功耗有著至關重要的影響。

　　人人都知道研發新技術需要巨額的前期投入，在微電子領域無論是生產線升級又或者是轉換新工藝往往意味著巨大的“資金無底洞”，那為什么還有眾多生產企業對引入新生產技術樂此不疲呢?

　　首先，新的生產工藝可以提高芯片的集成度。在不增加芯片面積的情況下，使用更精細的生產工藝可以比老工藝大大增加的晶體管數量，并可以擴展新的功能。例如，比如Intel最新的扣肉處理器，擁有2 × 2MB的L2 Cache，1MB容量的二級緩存就需要占用5000萬個晶體管，這是一個相當驚人的數字。

　　而按照現有發展趨勢，每隔兩年CPU的二級緩存容量都會增大一倍。如果還使用以前的90nm工藝將難以實現。那么廠商是如何在處理器那么狹小的空間內集成越來越多的晶體管呢?這時廠商就必須進步縮小硅晶片內微細元件的尺寸以騰出空間來容納增加的晶體管和元件。采用更先進的、蝕刻尺寸更小的技術成為了廠商們必走之路。

　　同時隨著晶體管尺寸的縮小，每顆晶體管的單位成本也有所降低，而整體的微型化同時也縮小了門極尺寸。門極是晶體管中負責阻擋或讓電流通過的開關，門極越窄，晶體管開啟與關閉的速度越快，使用晶體管的線路因而得以提高其速度上限。因此，處理器含有越多的晶體管，它們的速度就越快。

　　其次，新工藝引入的另一個好處就是是功耗降低，提高處理器主頻是提高處理器性能的主要手段之一，但是由于提高主頻后整體功耗會隨之上升，所以提高制造工藝也可以有效降低功耗，提高處理器主頻。并且在降低處理器功耗的同時，處理器整體的超頻能力也得到大幅度提升，每次提升制造工藝后，往往就會成為新一代超頻極品，也正是這個原因。

　　最后，在芯片性能方面，更先進工藝的引入使得導電溝道長度減少，可以使用更多先進的材料，從而使晶體管的(開關)速度加快，大大提高芯片的整體性能并降了低功耗，熱量的降低反過來又可以增加元器件的穩定度、延長使用壽命。并且采用最新制造工藝后，相同晶體管會占據更小的面積，使一塊晶元能夠切割出更多處理器，使整體處理器成本降低，直接結果就是單顆處理器售價降低。

　　在處理器生產技術發展這個過程中，英特爾始終是領先了一步，IBM、摩托羅拉、AMD、TI、富士通、臺積電、聯電等半導體企業一直都是落后了半拍。但它們對于新工藝的轉換同樣十分積極，他們也正在努力向新一代的65納米技術過渡。今天，我們在就里先向大家簡單介紹一下近兩年來英特爾從90nm到65nm的發展之路，希望能讓你從另一角度對處理器技術有著更深入的了解。

　　一、并不完美的90nm生產技術

　　微米制造工藝實際上指的是一種工藝尺寸，指的是在一塊硅晶圓片上集成的數以萬計的晶體管之間的連線寬度。按技術述語來說，指芯片上最基本功能單元門電路和門電路間連線的寬度。伴隨處理器性能的提升，處理器的生產技術也在不斷發展。在2003年，隨著頻率更高的Prescott處理器的推出，英特爾也成為了第一家將90nm生產技術引入到臺式處理器的廠商。

　　90nm制造工藝早在2003年1月就已開發成功，但是直到2004年才真正實現量產，距離上一個技術節點已有3年，改變了20世紀90年代中期集成電路技術每24個月出現一個技術節點的發展趨勢。90nm制造工藝和130nm工藝相比，絕不僅僅是簡單地將連線寬度減少了40nm，而是集成電路制造工藝上一個質的飛躍。

　　因此在向90nm進化過程中遇到的困難也遠遠高于以前的技術升級，然而，這也為順利向65nm技術節點發展打下了良好的技術基礎。在90nm制造工藝中，采用多項新技術和新工藝。其中應變硅(Strained Silicon)、絕緣硅(SOI，Silicon on insulator)、銅互連技術、低K介電材料的引入等是主要特點。

　　1、應變硅技術(Strained Silicon)

　　應變硅技術是英特爾的90nm工藝中最主要的特色技術。晶體管是一個小開關，決定了電流的通與斷，而在現實世界中，我們無法完全地控制電流，必須借助一些附加技術。AMD的SOI(Silicon-on-insulator，絕緣體硅片)就是為了防止泄漏電流和停止電流活動而設計的，應變硅則剛好相反，是為了驅動電流流動而設計的。

　　將待應變硅片放在一種特殊的硅鍺底基上，這種硅鍺底基的原子間距離比待應變硅片原子間距離大，受底基原子作用，硅片中的原子也將向外運動，彼此間拉開距離，從而減少對電流的阻力。應變硅有效地擴展了晶體管通道區域，把硅直接放到底層的頂部，可以預留更多的空間，更好地擴展到底層上，使上面的硅原子直接和低層相匹配，延伸硅元素到合適的通道中。

　　硅原子有更多的空間后，電阻減少了，增加了電流通過的數量。最終結果是使電流流動強度提高了10—20%，或者使當前的電流更加順暢，從而提高了晶體管的運行速度，提高了芯片的工作頻率

　　2、七層銅互連技術

　　傳統集成電路制造工藝主要采用鋁作為金屬互連材料(Interconnect)，但是隨著晶體管尺寸越來越小，在保持信號的高速傳輸方面已經受到很大的限制。選用電阻率較小的金屬作為互聯材料，并選用介電常數較小的介電材料是降低信號延時、提高時鐘頻率的兩個主要方向。由于銅的電阻率較鋁小，同時能減少互連層的厚度，通過降低電容達到了減少信號延時的效果，因此，如果配合采用低K介電材料，可以降低信號線之間的耦合電容，信號的轉換速度也隨之加快，即進一步降低了信號的延時。

　　此外，現有鋁材料在器件密度進一步提高的情況下還會出現由電子遷移引發的可靠性問題，而銅的溶點較高，比鋁更不容易發生電子遷移。與鋁相比，銅可以在更薄的互連層厚度上通過更高的電流密度，從而降低能量消耗。推動銅工藝走向產業化的另一個重要原因就是與傳統的鋁工藝相比，銅工藝采用了Damascene工藝，減少了金屬互聯的層數，從而降低了成本。

　　早在1985年IBM公司就已計劃研發用銅替代鋁作為芯片上的金屬互連材料，但是直到1998年才在諾發公司(Novellus System)的幫助下把該技術應用在實際的集成電路制造工藝中。1999年蘋果公司在400 MHz微處理器中采用了銅互連工藝，極大地提升了圖形處理能力。

　　2000年英特爾公司推出了采用了130nm銅互連技術的Tualatin奔騰III處理器。TI、Xilinx、三星、臺積電、聯電等公司也開始紛紛采用銅互連工藝。此前在130nm、110nm的制造工藝中已經廣泛應用了銅互連技術。銅互連材料已經成為110nm以下制造工藝的唯一選擇。在90nm制造工藝中，廠商已經廣泛采用了七層層銅互連技術，使硅晶圓上的晶體管可達到100M，從而提高芯片性能。

　　除此之外，90nm制造工藝的還其它技術新特性：

　　·1.2nm氧化物柵極厚度，僅有5個原子層厚。越薄的氧化物柵極越好，超薄的氧化物柵極可以提高晶體管的運行速度

　　·晶體管長度僅為50nm，而此前的130nm工藝處理器的晶體管長度是70nm—60nm之間

　　·低K值(絕緣常量)的摻碳氧化物(CDO)絕緣材料，減少線路與線路之間的電容，以提高芯片內的信號速度并降低芯片功耗。這一絕緣材料通過簡單的雙層堆疊設計實現，非常容易制造。

　　最先采用90nm的處理器是英特爾的Prescott處理器。所有基于Prescott 核心的處理器，無論是低端的Celeron D還是Prescott Pentium 4，都用0.09微米制造工藝生產。區別是前者FSB 僅為133MHz(實際頻率533MHz)，L2 Cache 也只有256KB，而后者的FSB 則為200MHz(實際頻率800MHz) ，L2 Cache 達到1MB ，當然Celeron D處理器的價格要便宜很多。

　　雖然英特爾在Prescott 中采用更深的管線執行長度設計及0.09微米制造工藝，希望可以大大提高處理器的頻率，不過由于在0.09微米中不能有效控制晶體管的電泄漏問題，造成Prescott的功耗居高不下、頻率也難以達到英特爾所希望的水準。所謂泄漏電流，是指晶體管不管導通還是截止(開關)，均有電流流動。由于本來為截止的時候也有電流流動，由此就會造成電量的浪費。

　　泄漏電流造成的耗電量增加是90nm工藝Prescott中非常嚴重的問題。另外，要想提高晶體管的開關切換速度，即工作頻率，設計半導體時必須要使電流在晶體管中易于流動。過去晶體管越小，開關所需的電壓就越低，耗電量也就越小。而目前的情況是由此減少的這部分耗電量全部被泄漏電流抵消掉了。當然，半導體制造商那時并非完全沒有預料到泄漏電流的增加。

　　降低泄漏電流的技術在90nm工藝時代沒有達到實用水平，泄漏電流的增加量也超過了半導體制造商的預想。工作頻率普遍超過1GHz的計算機所使用的CPU，這種情況尤為顯著。能夠采用提高電子遷移率，或者減少泄漏電流通道等泄漏電流降低技術的生產線要借助65nm技術才能完成。

　　因此，英特爾很快就引入了更先進的65nm工藝，讓90nm工藝成為英特爾處理器發展中最短命的制造技術

　　二、充滿魅力的65nm制造工藝

　　1、第二代應變硅技術

　　雖然這一代產品晶體管材質較上一代并沒有太大變化，但是在漏電方面的改進還是非常顯著的。在此前90納米工藝上，英特爾就沒能解決這個問題，電流泄漏造成芯片功耗不降反增，而在65nm中這個問題已經成為有所緩解。這一部分還要歸功于在新一代65nm處理器上引入的新一代應變硅技術。

　　在65nm工藝中，雖然絕緣層還是停留在1.2nm，但是借助新一代應變硅技術，晶體管扭曲提升了15%，這樣的結果就是漏電減小了4分之一，這樣也使的晶體管的響應速度在沒有功耗提升的情況下提升了近30%。

　　Intel公司宣稱，其第二代應變硅技術使得晶體管的性能提高了10-15%，同時沒有電流泄漏增加。縮小20%長度的門極，結合應變硅的效應，英特爾的65nm生產技術邏輯門的交換頻率可以達到90nm的1.4倍，換言之，處理器的頻率就有著上看6GHz的可能。

　　為了進一步降低漏電流，英特爾也在65nm中導入了NMOS Sleep Transistor技術，目前英特爾將其應用在動態關閉SRAM所用不到的區塊，達成降低三倍漏電流的效果。與90納米技術生產的晶體管相比，65納米技術在同樣的性能情況下可以使電流泄漏減低4倍。這樣的話，65納米技術生產的處理器在沒有增加電流泄漏的情況下，提高了性能，目前的扣肉處理器已經驗證這一切

　　2、八層銅互聯技術

　　英特爾在65納米工藝中成功開發出八個銅互聯層結構，達到了相當高的工藝水平。在90納米工藝中，英特爾只能實現7層銅互聯結構，而IBM大約在2000年時就成功研發出8層銅互聯技術。進入到65納米工藝之后，英特爾終于實現了8層銅互聯結構，每一個芯片可以容納8個不同的邏輯電路層。層數越多，芯片占據的面積就越小，成本越低，但同時也要面對更多的技術問題。

　　例如，不同的電路層需要用導線連接起來，為了降低導線的電阻(R值)，各半導體廠商都采用金屬銅來代替以往的金屬鋁(這也是“銅互聯”的得名由來)。其次，兩個電路層之間會產生一定的電容效應(C值)，由導線電阻R和層間寄生電容C共同產生的RC延遲決定著芯片的高速性能。

　　電路層越多，RC延遲就越高，芯片不僅難以實現高速度而且會增加能耗。使用電阻率更低的銅代替鋁作為導線，可以一定程度降低RC延遲。但在此之后，電路層之間的寄生電容C對RC延遲就起到主要的影響了。解決這個問題并不難。由于寄生電容C正比于電路層隔絕介質的介電常數K，若使用低K值材料(K<3)作為不同電路層的隔絕介質，問題便迎刃而解了。

　　英特爾為65納米工藝準備了一種K值很低的含碳氧化物(Carbon Doped Oxide，CDO)。英特爾在晶體管內部使用這種低K值(低介電常數)的新材料主要來提高芯片中的信號速度，而在晶體管之間柵極則使用厚度為1.2納米的氧化物材料，有利于降低柵極電容，緩解電流泄漏的問題，最終有效降低芯片的功耗。

　　3、高K值材料

　　與應變硅加速晶體管內電流速度相反，在不同晶體管之間需要更好的絕緣，以避免電流泄漏的問題。在90納米工藝之前，這個問題并不嚴重，因為晶體管之間有較長的距離。但轉換到90納米工藝之后，不同晶體管的間距變得非常之短，電流泄漏現象變得異常嚴重。而為了抵消泄漏的電流，芯片不得不要求更大的供電量，造成的直接后果就是芯片功耗增加。我們可以看到，無論英特爾還是AMD，90納米工藝制造的產品都沒有在功耗方面表現出應有的優勢，而按照慣例，每次新工藝都會讓同型芯片的功耗降低30%左右。

　　對于65納米工藝來說，這個問題到了非解決不可的地步。IBM和AMD都采用SOI(絕緣層上覆硅，Silicon On Insulator)技術。不過，英特爾認為SOI技術難度太大，所以沒在此花費功夫。當然，他們也認為無法繼續用二氧化硅做為晶體管的門-通道之間的絕緣層。為此，英特爾決定采用高K值的氧化物材料來制造晶體管的柵極，英特爾稱之為“高K門電介質”(High K gate Dielectric)。

　　高K材料作為柵極電介質，能夠在保持或增大柵極電容(即保持或縮小等效柵極氧化物厚度)的同時,還有足夠的物理厚度來限制隧穿效應的影響,以降低柵漏電流。這種材料對電子泄漏的阻隔效果可以達到二氧化硅的10000倍，電子泄漏基本被阻斷，這樣就可以在絕緣層厚度降低到0.1納米時還擁有良好的電子隔絕效果。

　　不過，使用高K電介質材料來替代二氧化硅要面對許多技術問題，例如高K介質器件的門限電壓可能迅速竄升到500毫伏甚至更高，芯片在運行過程中受熱升溫后，晶體管的門限電壓也將以不可預測的幅度來回擺動，這些問題很可能影響芯片的穩定性。為此，找到具有高穩定性的高K值材料至關重要。

　　對于65nm 制造工藝，目前作為柵介質層的高k電介質是含Hf的材料，例如HfSiON。正是由于高K材料得到成功應用，英特爾目前已經在65納米工藝上遙遙領先對手，該工藝生產的CPU芯片將會具有相當出色的功耗表現，目前Prescott高功耗的麻煩將一去不復返。

　　三、英物爾的65nm處理器回顧

　　1、Intel第一款65nm處理器—Pentium EE 955

　　說到Intel平臺的65nm制造工藝處理器要追朔到05年。在05年12月底Intel發布了其第一款采用65nm制造工藝的處理器--Pentium EE 955。

　　Pentium EE 955作為Intel當時最新旗艦級處理器，采用雙核心設計、65nm制造工藝、主頻達到了3.46GHz、配備2×2MB二級緩存、前端總線頻率達到了1066MHz、支持虛擬化、64位擴展、EDB防毒等一系列技術，無論從制造工藝上、還是從規格、技術上都代表了當時Intel的頂級水平，雖然采用了65nm制造工藝，但是由于內含3.76億個晶體管，主頻達到了3.46GHz，最終功耗達到了130W，成為65nm處理器中功耗最高的處理器之一。

　　雖然Pentium EE 955是一款65nm制造工藝處理器，但是最終功耗達到了130W，讓很多朋友為其捏了一把冷汗，對比AMD平臺65nm處理器的推出，Pentium EE 955早了11個月以上，可能象征意義遠大于降低功耗的價值。

　　2、將65nm引入成熟時代—Pentium D 9XX系列

　　Intel平臺第二批65nm制造工藝的處理器就是Pentium D 9XX系列了，這個系列可以說是90nm制造工藝的Pentium D 8XX處理器的一個優化版本，最主要區別在于制造工藝由90nm提升為65nm，二級緩存由2MB提升為4MB，其余規格全部相同。

　　Pentium D 8xx系列處理器擁有約2.3億個晶體管，而采用65nm制程的Pentium D 9xx系列處理器晶體管數量達到約3.8億個，在這其中二級緩存容量從原有的2MB猛增至4MB，與此同時核心面積仍比較理想。對于Pentium D 9xx系列處理器來說，65nm不僅僅帶來了容量更大的二級緩存，功耗也較90nm雙核處理器大幅降低。由于提高了電流的利用效率，處理器由空載到滿載的動態功耗得到很好控制。

　　3、充分體現65nm魅力—Core 2 Duo系列

　　06年7月25日Intel發布了其最新一代采用65nm制造工藝的處理器—Core 2 Duo，對于這個系列處理器來說65nm制造工藝已經不是它讓人佩服的地方，它最強大的地方在于采用了Core 2微架構，使處理器在整體功耗降低40%的同時，性能提高了40%。

　　縱觀Intel三個65nm制造工藝的系列處理器，我們不難看出它們分別有著自己不同的使命，Pentium EE 955處理器代表Intel進入了65nm制造工藝的階段，象征意義重大;Pentium D 9XX系列的推出代表Intel平臺由90nm向65nm制造工藝過渡階段，是邁向成熟的奠基石;Core 2 Duo處理器是Intel 65nm制造工藝走向成熟的標志性產品。

　　可以說，65nm代表著處理器制造工藝達到了一個新的高度，集成度更高使得處理器晶體管數量再次翻番。即使加上兩個CPU內核，一枚芯片所占據的面積也只有100平方毫米，成本比此前的Pentium 4還要低，這充分說明65納米工藝的優越性。

　　四、顯山露水的45nm制程

　　在引入65nm制程后，英特爾將依然保持著每兩年更新一代制造工藝的驚人速度，在明年引入45nm工藝。45納米工藝已經成熟，與65納米工藝的產品相比，它的漏電量減少為五分之一，晶體管開關切換速度提高20%，工作電流將減少30%，因此它將具有更好的節能效果和更高的性能。目前，45nm工藝的CPU還沒有制造出來，但45nm工藝的確已經開始應用了!它正應用在Intel的45nm測試晶圓上，并取得了不錯的反映。

　　2006年1月，英特爾宣布了使用45納米工藝的SRAM芯片生產成功，他們展示的這款SRAM芯片采用193納米干法光刻技術，存儲容量高達153Mbit，晶體管數目達到10億個，芯片面積119平方毫米。由6個晶體管組成的SRAM存儲單元的面積為0.346平方微米，大約相當于65納米工藝的存儲單元面積的一半，這也意味著采用45納米工藝的產品單晶體管成本將更加低廉。

　　在性能上，45納米工藝的晶體管也獲得了很大進步。與65納米工藝的產品相比，它的漏電量減少為五分之一，晶體管開關切換速度提高20%，工作電流將減少30%，因此它將具有更好的節能效果和更高的性能。

　　2007年下半年，英特爾的CPU將全面轉向45納米工藝生產，屆時第二代Core微架構的CPU也將與我們見面，用于筆記本電腦市場的Penryn就是其中的代表。它的運行頻率可能將比Merom稍高，擁有3MB或6MB的共享二級緩存。而主流桌面產品則包括Ridgefield和Wolfdale，它們同樣也有6MB/3MB共享二級緩存，運行頻率很可能超越3GHz。

　　此外，四內核，單核心封裝的Bloomfield和八內核，多核心封裝的Yorkfield和Hapertown也將在2008年出現，后兩者將擁有12 MB二級緩存。