摩爾定律仍硬朗!英特爾CPU工藝發(fā)展史
【泡泡網(wǎng)CPU頻道 5月12日】 集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個月就翻一番。
微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一半。
用一美元所能買到的電腦性能，每隔18個月翻兩番。
阿基米德在澡盆里發(fā)現(xiàn)了“浮力定律”，牛頓在蘋果樹下獲得"萬有引力"，而引領(lǐng)PC發(fā)展的Intel在激烈的市場中，創(chuàng)造了“摩爾定律”。從摩爾定律提出那一年開始，“IC上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍”的規(guī)律，就一直不斷向市場兌現(xiàn)。
自1947年晶體管發(fā)明迄今，科技進(jìn)步的速度驚人，催生了功能更為先進(jìn)強(qiáng)大，又能兼顧成本效益和耗電量的產(chǎn)品。雖然科技進(jìn)展迅速，但晶體管產(chǎn)生的廢熱和漏電，仍是縮小設(shè)計及延續(xù)摩爾定律 (Moore '' s Law) 的最大障礙，因此業(yè)界必須以新材料取代過去制作晶體管的材料。
Intel處理器工藝史回顧
翻查晶體管歷史，2009年是晶體管走過62年的歷程，首顆晶體管出現(xiàn)于1947年12月16日，貝爾實驗室 (Bell Labs)的William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain成功制作第一個晶體管，改變了人類的歷史。那么，在這2009年這個Intel的工藝更新年里，Intel公司將會首次推出32nm工藝處理器。
Intel首款32nm工藝處理器已經(jīng)進(jìn)入最后的測試階段
首先我們來了解一下摩爾定律，是由Intel的創(chuàng)始人戈登摩爾（Gordon Moore）通過長期的對比，研究后發(fā)現(xiàn)：CPU中的部件（我們現(xiàn)在所說的晶體管）在不斷增加，其價格也在不斷下降?！半S著單位成本的降低以及單個集成電路集成的晶體管數(shù)量的增加；到1s975年，從經(jīng)濟(jì)學(xué)來分析，單個集成電路應(yīng)該集成65000個晶體管?！盜ntel此后幾年的發(fā)展都被摩爾提前算在了紙上，使人們大為驚奇，“摩爾定律”也名聲大振。為了讓人們更直觀地了解摩爾定律，摩爾及其同事總結(jié)出一句極為精練的公式 “集成電路所包含的晶體管每18個月就會翻一番”。
摩爾定律之父——戈登摩爾
之后的芯片內(nèi)集成的晶體管數(shù)量也證實了他的這句話，并且發(fā)展速度還在加快。從芯片制造工藝來看，在1965年推出的10微米（μm）處理器后，經(jīng)歷了6微米、3微米、1微米、0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.13微米、0.09微米、0.065微米，而0.045微米的制造工藝將是目前CPU的最高工藝。以下我們就來簡單的見證一下Intel CPU工藝制程一路走來的風(fēng)雨歷程。
● 從Intel第一個10微米4004處理器說起
奇怪的是每當(dāng)新一代CPU問世時，人們都會熱衷于討論它采用了多少微米或納米制程。的確，每一次制程（或制造工藝）的進(jìn)步都會對芯片制造業(yè)產(chǎn)生舉足輕重的影響，并演繹一個個經(jīng)典的傳奇。
1965年，按照摩爾老先生在文章中提出，芯片上集成的晶體管數(shù)量大約每18個月就將翻一番。這意味著，只有不斷提高工藝，增加晶體管集成度，才能提升芯片主頻和性能。就這樣，在1971年，Intel發(fā)布了第一個微處理器4004。4004采用10微米工藝生產(chǎn)，僅包含2300多個晶體管，時鐘頻率為108KHz。由于功能較弱，計算速度慢，4004只能用在Busicom計算器上。
4004處理器全家福
接下來到了1974年，主頻為2MHz的8位微處理器8080問世，它采用6微米工藝，集成了6000個晶體管。由于它采用了NMOS（N溝道MOS）電路，因此運算速度比8008快10倍，后者采用了PMOS（P溝道MOS）電路。之后，在1978年Intel又陸續(xù)推出了8086處理器，這時工藝已經(jīng)縮減為3微米工藝，含2.9萬個晶體管，頻率有4.77MHz、8MHz和10MHz。
Intel 486處理器芯片內(nèi)集成了125萬個晶體管
直到了1983年，Intel首次推出了新型處理器286，它含有13.4萬個晶體管，頻率為6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。隨后1985年，推出了386處理器，含27.5萬個晶體管，頻率為16～33MHz，具備初級多任務(wù)處理能力）等處理器。1989年，Intel發(fā)布了486處理器。這款經(jīng)過4年開發(fā)和3億美金投入的處理器首次突破了100萬個晶體管大關(guān)，主頻也從25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz、66MHz，此時，處理器工藝已經(jīng)全面采用了1微米工藝，并且在芯片內(nèi)集成了125萬個晶體管，這時芯片內(nèi)的晶體管數(shù)量已經(jīng)超過了Intel 4004處理器內(nèi)晶體管數(shù)量的五百倍。
Pentium讓CPU工藝從微米時代跨入了納米
隨后的一段時期里，CPU制程開始向更高水平邁進(jìn)。直到1993年，采用800納米的奔騰（Pentium）的出世，讓CPU全面從微米時代跨入了納米時代。奔騰含有310萬個晶體管，代表型號有Pentium 60（60MHz）和Pentium 66（66MHz）。此后，Intel又推出了奔騰75MHz～120MHz，制造工藝則提高到500納米，此后CPU發(fā)展直接就跳轉(zhuǎn)至350nm工藝時代。
● 奔騰深入人心—350nm過渡250nm時期
1995年后，半導(dǎo)體行業(yè)已普遍采用0.35微米（350nm）工藝進(jìn)行主流芯片的生產(chǎn)。從Pentium 133開始，Intel也開始采用0.35微米制程，新工藝的應(yīng)用使得芯片的尺寸不斷縮小，集成度不斷提高，功耗降低，性能也相應(yīng)提高了。
采用0.35微米工藝的產(chǎn)品還有Intel的Pentium MMX、Pentium Pro和早期Pentium Ⅱ（Klamath核心）及賽揚(yáng)（Covington核心）等產(chǎn)品。
0.35微米工藝的經(jīng)典產(chǎn)品：Pentium MMX
Pentium MMX（多能奔騰，P55C）是最典型的產(chǎn)品，它是第一個擁有MMX（Multi Media Extensions，多媒體擴(kuò)展指令集，是Intel于1996年發(fā)明的一項多媒體指令增強(qiáng)技術(shù)，包括57條多媒體指令）技術(shù)的處理器，擁有16KB數(shù)據(jù)L1 Cache，16KB指令L1 Cache，具備450萬個晶體管，功耗17W。在0.35微米工藝的幫助下，工作頻率突破了200MHz。
那么，隨著CPU性能及頻率的增加，原有的制造工藝已無法滿足要求。因此，0.25微米工藝便應(yīng)運而生。與0.35微米工藝相比，使用0.25微米制程可使處理器的運算速度提升一倍以上，且工作電壓更低，功耗更少。同時，芯片的封裝面積更小、成本更低、功能也更強(qiáng)。
采用0.25微米工藝的Intel處理器主要有Pentium Ⅱ（Deschutes核心）、Pentium Ⅲ（Katmai、Confidential核心）及賽揚(yáng)（Mendicino核心）等。
老PIII的照片
最具代表性的產(chǎn)品當(dāng)數(shù)Katmai及Confidential核心的Pentium Ⅲ，采用0.25微米制造工藝，集成900萬個晶體管，支持包含70條新指令的SSE指令集，早期版本采用Slot 1接口。其中Katmai核心的產(chǎn)品運行在100MHz外頻下，主頻為450MHz、500MHz、550MHz。這時的CPU外型有些現(xiàn)在最新CPU的雛形。
● 塑造經(jīng)典—180nm直接跨入130nm時期
此前，芯片制造工藝的更新?lián)Q代是以3年為一周期，但I(xiàn)ntel率先將此周期縮短為2年。我們可以從發(fā)現(xiàn)，Intel公司在1995年實現(xiàn)了0.35微米工藝量產(chǎn)，1997年便已推出0.25微米產(chǎn)品，1999年又推出了0.18微米工藝，而2001年則實現(xiàn)0.13微米產(chǎn)品的量產(chǎn)。雖然0.18微米（180nm）工藝不如0.13微米工藝那么鋒芒畢露，但也不容忽視。
采用0.18微米工藝的處理器主要有Pentium Ⅲ（Coppermine核心）、Pentium 4（Willamette核心）等產(chǎn)品。其中Coppermine（銅礦）核心的Pentium Ⅲ集成了950萬個晶體管，主頻為500MHz～1GHz，核心電壓1.65V，制程從0.25微米轉(zhuǎn)向0.18微米，片內(nèi)集成256KB全速二級緩存，系統(tǒng)總線頻率有100MHz和133MHz兩種。
P4處理器的來臨將工藝縮小為0.18微米
當(dāng)然，采用0.18微米工藝的處理器還有Pentium 4處理器的開山之作——性能平平的Willamette，它集成了4200萬個晶體管，主頻為1.3GHz～2GHz，采用0.18微米鋁布線工藝，二級緩存為256KB，外頻為100MHz，F(xiàn)SB（前端總線）為400MHz，核心電壓為1.75v，Willamette核心的產(chǎn)品有Socket 423/478兩種接口。
隨著時間的推移，正如摩爾定律所說，制造工藝的進(jìn)步無可阻擋，CPU在經(jīng)歷了180nm工藝后，在2001年直接殺入了130nm時代。與0.18微米工藝相比，新的0.13微米（130nm）工藝的氧化層可減少30%以上，工作電壓可達(dá)到更低，芯片面積更小。每塊芯片的成本將因此大幅下滑，這對提升處理器/顯示芯片的價格競爭力大有裨益，芯片使用0.13微米取代0.18微米工藝便勢如破竹，成為了芯片制造界歷史上一次重大的變革。
0.13微米工藝孕育了多款主流的處理器，其中Intel主要有Tualatin系列（Pentium Ⅲ-S及Celeron Ⅲ）、Northwood系列（Pentium 4 A/B/C、Celeron 4）等產(chǎn)品。
在0.13微米工藝的幫助下，Intel推出了性能非常出色的Tualatin（圖拉?。㏄entium Ⅲ。作為Intel在Socket 370架構(gòu)上的“絕唱”，Tualatin核心處理器的電壓降至1.5V左右，主頻范圍在1GHz～1.4GHz，二級緩存有512KB（Pentium Ⅲ-S）和256KB（Pentium Ⅲ和賽揚(yáng)），可超頻性很強(qiáng)。憑借先進(jìn)的制程，Tualatin核心Pentium Ⅲ的性能甚至超過了0.18微米的Pentium 4。Pentium 4C也是0.13微米時代的強(qiáng)者，其最大特點是支持800MHz前端總線，集成了5500萬個晶體管，支持HT超線程技術(shù)，其較低的功耗和較高的性價比曾一度讓人懷疑Pentium 4E（Prescott）是否有必要推出。
● 質(zhì)的飛躍—從90nm過渡65nm時期
但最后Intel還是給出了答案，在2004年推出核心為Prescott的Pentium 4E處理器，在此次推出的Pentium 4E處理器中，一個顯著的特點就工藝再次改進(jìn)為90nm，集成了1億個晶體管。其中首批90nm處理器型號為3.40E GHz、3.20E GHz、3.00E GHz、2.80E GHz P4（“E”后綴商標(biāo)）支持超線程技術(shù)，800MHz前端總線和1MB二級緩存； 但工藝的提升，沒有使得功耗降低，主頻的提升，使得Prescott功耗開始走高。
此時，Intel推出90nm處理器后，并且在最短的時間內(nèi)宣布全面進(jìn)入90nm時代。而AMD在工藝制程方面比英特爾顯然慢了一大步，因此，在2004年，AMD和英特爾在制造工藝上的距離已經(jīng)拉開。
但隨著芯片中晶體管數(shù)量增加，原本僅數(shù)個原子層厚的二氧化硅絕緣層會變得更薄進(jìn)而導(dǎo)致泄漏更多電流，隨后泄漏的電流又增加了芯片額外的功耗。
此時，由于受“泄漏電流”的影響，導(dǎo)致后續(xù)產(chǎn)品頻率無法提升，功耗高居不下。為了從當(dāng)前的窘境中逃出來，Intel迅速部署65nm產(chǎn)品計劃。迅速在2005年推出了Pentium Extreme Edition 955，標(biāo)志著Intel進(jìn)入一個新的階段，65nm時代的來臨。
Pentium Extreme Edition 955處理器基于65nm工藝，是整個Pentium D 900系列雙核心產(chǎn)品中最高端的一款。
Pentium Extreme Edition 955
盡管新品均采用65nm工藝制造，但其TDP（Thermal Design Power）依然為130W。工作電壓需要從1.2v到1.375V，機(jī)箱內(nèi)部溫度不能夠超過68.6度。不過，Preslers無論在制造工藝還是架構(gòu)變革方面都有了非常大改進(jìn)，包括獨立的雙L2 Cache設(shè)計，以及制造工藝較90nm產(chǎn)品有了非常大的改觀。
雖然這一代產(chǎn)品晶體管材質(zhì)較上一代并沒有太大變化，但是在漏電方面的改進(jìn)還是非常顯著的，起初在90nm工藝下采用的應(yīng)變硅技術(shù)，在新一代65nm處理器上得到進(jìn)一步發(fā)展，雖然絕緣層還是停留在1.2nm，但是晶體管扭曲提升了15％，這樣的結(jié)果就是漏電減小了4分之一，這樣也使的晶體管的響應(yīng)速度在沒有功耗提升的情況下提升了近30%，整體表現(xiàn)還是不錯的。
● 再鑄輝煌—45nm處理器即將誕生
目前Intel兩年一跟換工藝，在2007年推出其首款45nm Penryn處理器。全新45nm Penryn家族共有7名成員，包括雙核心桌面處理器Wolfdate、四核心桌面處理器Yorkfield、雙核心行動處理器 Penryn、雙核心Xeon DP處理器 Wolfdate DP、四核心 Xeon DP處理器Harpertown、雙核心 Xeon MP處理器Dunnington DC及四核心Xeon MP處理器Dunnington QC。
Intel首款45nm Penryn處理器QX9650
Penryn雙核心版本內(nèi)建 4.1 億個晶體管，四核心則有8.2億個晶體管，微架構(gòu)經(jīng)強(qiáng)化后，在相同頻率下較上代Core產(chǎn)品擁有更高性能，同時L 2 Cache容量亦提升50%，明顯提高數(shù)據(jù)讀取執(zhí)行的命中率。此外，亦加入47條全新Intel SSE4指令，提高媒體性能和實現(xiàn)高性能運算應(yīng)用。
另外，由于深知漏電問題將會阻礙芯片和個人計算機(jī)的設(shè)計、大小、耗電量、噪聲與成本開發(fā)，因此，新一代Penryn處理器家族將采用全新材料制作的45nm晶體管絕緣層(insulating wall)和開關(guān)閘極 (switching gate)，減低晶體管漏電(electrical leakage)情況。
為能達(dá)到大幅降低漏電情形且可同時提升效能目標(biāo)，Intel采用被稱為High-k的新材料制作晶體管閘極電介質(zhì)(transistor gate dielectric)，而晶體管閘極的電極 (transistor gate electrode)也將搭配采用全新金屬材料組合，增加驅(qū)動電流20%以上，不僅提升晶體管效能，同時源極 - 汲極 (source-drain) 漏電也可減少逾5倍，明顯改善晶體管耗電量。這樣，在目前來說還是很的控制了漏電問題。
直達(dá)2008年底，Intel在45nm技術(shù)帶來了又一次的改變后，這一次45nm制成CPU變大了、內(nèi)存變成了三通道了，近十年的老朋友FSB也變成了QPI，超線程技術(shù)又一次回歸了。在融合的時代，Intel賦予了CPU更多的使命，雖然我們已經(jīng)做好了CPU整合更多功能的準(zhǔn)備，但是這次突如其來的改變，還是讓所有的人大吃一驚。
Nehalem的推出，將4nm處理器帶入了一個全新時代，肩負(fù)著改變行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的使命，QPI、DDR3、超線程、PCI-E 2.0、內(nèi)存控制器、Turbo Mode等一系列新技術(shù)接踵而至。不得不感慨，酷睿i7的推出，給業(yè)界帶來了太多的震撼，但這僅僅是個開始，轉(zhuǎn)眼時間已經(jīng)過渡到2009年Intel的“工藝年”。
● 整裝待發(fā)—32nm處理器"神功"已練成
雖然受到全球金融危機(jī)的影響，各IT公司的裁員和工廠關(guān)門被炒的沸沸揚(yáng)揚(yáng)。但對于全球引領(lǐng)IT產(chǎn)業(yè)的英特爾來說，卻絲毫沒有放慢產(chǎn)品的更新，按照其Tick-Tock的腳步2009年進(jìn)入了“tick年”，也就是處理器將更新至32nm工藝制程。
采用高k+金屬柵極的45nm制程技術(shù)取得巨大成功之后，英特爾再接再厲推出了采用第二代高k+金屬柵極的32納米制程技術(shù)，目前已接近量產(chǎn)。這種新制程技術(shù)將用來制造英特爾Nehalem微體系架構(gòu)的32nm版本-Westmere。
據(jù)Intel英特爾高級院士Mark Bohr透露，32nm制程技術(shù)的基礎(chǔ)是第二代高k+金屬柵極晶體管。英特爾對第一代高k+金屬柵極晶體管進(jìn)行了眾多改進(jìn)。 在45納米制程中，高k電介質(zhì)的等效氧化層厚度為1.0nm。而在32nm制程中，此氧化層的厚度僅為0.9nm，而柵極長度則縮短為30nm。
晶體管的柵極間距每兩年縮小0.7倍——32nm制程采用了業(yè)內(nèi)最緊湊的柵極間距。32nm制程采用了與英特爾45納米制程一樣的置換金屬柵極工藝流程，這樣有利于英特爾充分利用現(xiàn)有的成功工藝。這些改進(jìn)對于縮小集成電路（IC）尺寸、提高晶體管的性能至關(guān)重要。采用高k+金屬柵極晶體管的32nm制程技術(shù)可以幫助設(shè)計人員同時優(yōu)化電路的尺寸和性能。
根據(jù)Intel官方文檔，32nm Clarkdale將采用LGA1156接口，支持超線程技術(shù)(雙核心四線程)，集成4MB三級緩存，整合內(nèi)存控制器支持雙通道DDR3-1333，除了集成圖形核心外還支持單x16或雙x8模式獨立顯卡，不過后者只能在Ibex Peak P55/P57芯片組上實現(xiàn)。另外需要注意的是，Clarkdale處理器中只有CPU部分會采用32nm工藝，GPU部分仍將繼續(xù)使用45nm工藝。
目前這款集成顯示芯片的32nm Clarkdale處理器已經(jīng)有成品提交測試了，并且市場定位在主流級別，以更高的性價比呈現(xiàn)給大家。
Intel已經(jīng)成功完成了32nm制程的研發(fā)工作，并且是業(yè)界第一家可以演示運行的32nm處理器的廠商，它采用第二代High-K和金屬柵極晶體管技術(shù)，九個金屬銅和Low-K互聯(lián)層，其中的關(guān)鍵層會在Intel歷史上首次應(yīng)用沉浸式光刻技術(shù)，無鉛無鹵素，核心面積可比45nm減小大約70％，在性能方面提高超過22%以上。Intel計劃在2009年底開始投產(chǎn)第一批32nm Westmere處理器，更多新工藝產(chǎn)品將在2010年跟進(jìn)。
[結(jié)語]：Intel 32nm處理器已經(jīng)離我們越來越近了，并且繼續(xù)有條不紊的實現(xiàn)著“Tick-Tock”的創(chuàng)新節(jié)奏模式，同時從用戶實際應(yīng)用角度出發(fā)，推出更多全新技術(shù)。將CPU進(jìn)行高度集成，通過提高集成度來改進(jìn)性能、降低功耗，以達(dá)到性能與功耗之間的完美平衡。所以，我們有理由相信以Intel堅持走創(chuàng)新之路，將會在的經(jīng)濟(jì)的“寒冬”里，帶領(lǐng)IT產(chǎn)業(yè)走向“春天”?！?/P>
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