半导体制程与材料挑战(2)
“唯偏执者得以幸存,Only the paranoid will survive”这句话不仅是过去Intel公司执行长安迪?葛洛夫(Andrew S. Grove)的至理名言,也是他个人著作的经典书名(台湾翻译成:十倍速时代),更是至今为止英特尔公司营运上的第一圭臬。

 虽然在极先进的制程技术上Intel仍须向IBM、Fujitsu、TI等业者看齐,但就商业量产性的数字逻辑制程技术而言,Intel确实一直保有领先地位,当大伙在谈论130nm、90nm时,Intel已经往65nm、45nm迈进,甚至已有32nm的规划;同样的当大家都还在议论8吋晶圆(8英吋,换成公制是直径200公厘)与12吋晶圆(300mm)两者的投报权衡时,Intel已有18吋(450mm)的建厂打算。

 因此,数字逻辑芯片的商业化量产标竿、指标在Intel,包括新制程的规模效益、经济效益、良率成熟度等,皆以Intel有较快的进度时程(进程)、率先示范,因此本文以下将就Intel的45nm制程技术来窥视数字芯片的新未来,尤其国内竹科的芯片设计业者数在全球仅次于美国硅谷,并且90%以上都是以数字设计为主,所以Intel的新数字制程技术必须为业者所注意的关键项。

 


▲图中可见「L GATE」指的是闸极宽度距离(Gate Length),下方的左块与右块则是源极、汲极,半导体界常言的90nm制程、65nm制程指的正是「L GATE」宽度距离的精缩。(图片来源:Intel.com)



 附注:所谓90nm、65nm(nm=Nano Meter,即「奈米」)制程,指的是场效晶体管(Field Effect Transistor;FET)的闸极(Gate)宽度,宽度同时也是指源极(Source)与汲极(Drain)间的实体长度距离。

 ■制程技术名称的技术发展

 与其他晶圆厂业者相同的,Intel的制程技术也有其名称,例如90nm制程为P1262、65nm制程为P1264、45nm制程为P1266,而日后的32nm制程也已经设定好技术名称(代号):P1268。

 其中耐人寻味的,对于整合装置制造商(Integrated Device Manufacturer;IDM)营运属性的半导体业者而言,对外公布自有制程的技术代号、名称并没有太多商业意义,因为不会因此招揽与吸引芯片设计业者来投单(制造代工订单),因为IDM业者多半没有代工业务。

 不过,公布实行新制程的技术代号称呼,也能让购买芯片的用户(或潜在购买用户)了解到该芯片已使用更先进的制造技术,这对刺激买气也不无小补。

 以目前而言,Intel对于65nm制程已是成熟量产,依据今年初的官方公布信息,2005年10月Intel开始用65nm制程供货,有两座12吋晶圆厂(D1D以及Fab 12)能投入量产,并且已用65nm制程生产超过100万颗以上的双核微处理器(言下之意是:量产技术已高度成熟),而预计今(2006)年第三季之后所有的微处理器都将从90nm转向65nm。

 

点击看大图
▲图中可见Intel过往的90nm,现有的65nm,试制试产中的45nm,以及未来规划的32nm等的制程技术名称,原本预计2007年下半年(H2)投产的45nm制程已经确定延至2008年第一季(Q1)执行。(图片来源:Intel.com)



 ■从65奈米到45奈米的表现差异

 进一步的,Intel也预计从2007年下半开始实现并运用45nm技术,到底45nm技术与65nm能为数字逻辑芯片带来多大的精进提升,关于此目前为止Intel透露了数点要项:

 1、晶体管的密度可以再增加一倍,即是65nm制程的两倍,或者反过来思考:使原有已量产的芯片在裸晶电路上减少一半的耗用面积。

 2、晶体管(当成逻辑开关来运用)的开路、短路切换速度比现有65nm再快上20%,这表示:若既有芯片的运作频率极限是2GHz,透过此一制程升级将有机会达2.4GHz。

 3、相对的,若换用新制程的用意不是用来增加运作效率速度,那么也可以增加省电性,在相同的运作频率下,新制程技术的静态功耗(指漏电流)能够比过去减少5倍之多。

 4、同样以省电节能为考虑,使用新制程的芯片,在动态功耗(晶体管进行切换时)上也比过去减少30%。

 从上述四项可以看出,新制程不是增加晶体管密度就是降低电路耗用面积进而精省成本,或者是用来提升运作频率频率或用来精省电能。尤其是密度与电能,今日多数的芯片都已达需求之上的效能,效能价格比(Price Performance Rate;PPR)、运作频率等不再是首要重视,相对的是更高密度所能带来的设计运用发挥,以及每瓦用电可获得的效能(Performance Per Watt;PPW)。

 所以,新制程的密度取向多半胜过价格取向,省电取向多半胜过效能取向,密度取向的发挥代表即是今日的多核设计风气,省电更是不用多言。附带一提的,Intel研究发展45nm制程技术的地方是在奥勒岗州(Oregon)的Hillsboro。

 ■密度考验:6T SRAM为指标

 既然晶体管密度是缩密制程的一大要点,若更具体表现的话,则是用最耗用晶体管数的静态随机存取内存(SRAM)来量度新制程能带来多少的密度效益提升。即便同样是闸极宽度的制程,各业者最后能成就的结果与特性也不尽相同。

 举例来说,TSMC的65nm制程技术:Nexsys 65-Nanometer若以晶格(Cell)方式来制造SRAM内存,则尺寸会在1.158平方微米至0.499平方微米间,1.158平方微米是8T型的SRAM,0.499平方微米是6T型的SRAM,所谓8T、6T指的是每形成一个位(bit)的SRAM记忆容量时所要耗用的晶体管数目,8T是8个晶体管,6T则是6个,T指的正是晶体管英文的第一个字母(Transistor)。

 同样的65nm制程,同样用来制做成SRAM内存,并根据UMC的技术透露,UMC在65nm制程下已能让6T SRAM精缩至0.490平方微米,小于TSMC的0.499平方微米,更小于IBM(微电子)的0.51平方微米,如此即便在相同的裸晶面积上使用相同的65nm制程,最终所能放入的SRAM内存容量也会有差异,尤其任何运算芯片(包括MPU、MCU、DSP等)内的缓存器、高速缓存皆是用SRAM所制成,因此这项指标也有部分的实用意义。

 以上是65nm层次的情形,然本文主轴在Intel的45nm制程技术,比65nm更精缩的层级,关于此Intel也是用6T SRAM为标竿基准,所得到的面积结果是0.346平方微米。此外Intel还附加说明:在更重要与关键性的电路层(Layer),用的是193nm的干法平板印刷(dry lithography)制程技术。

 

点击看大图
▲Intel以SRAM的晶格实体面积作为标竿基准,持续以实际行动证明摩尔定律的持续受用:每两年在相同单位面积内将晶体管容纳数增加一倍。(图片来源:Intel.com)



 相对于干法平板印刷技术的,还有所谓的浸入式印刷技术(IBM所用)或深紫外线(DUV)印刷技术、远紫外线(EUV)印刷技术,不过Intel方面尚未断言量产的45nm芯片必然采用何种印刷技术,只能说目前的试制仍是较传统的干式,Intel的高层表示各种45nm制程无论各种印刷法都有试制的原型品(Prototype),最后必须视成熟度再来决议实行方式。

 所以,持续偏执的结果是Intel依旧能够合乎摩尔定律法则,在每两年的时间内使相同单位面积的裸晶电路内让晶体管容纳量扩增一倍。

 更进一步的,Intel也尝试用45nm制程来制造一个完整的SRAM内存裸晶,以今年一月的技术成果而言,除了前述的每个晶格为0.345平方微米外,整个裸晶电路的面积为119平方毫米,而记忆容量上则达到了153Mbits的境界,总晶体管耗用突破了10亿个,就目前而言这仍然为空前惊人。

 

点击看大图
▲Intel于今(2006)年一月已经用45nm制程技术试制了SRAM内存,图为该试制品的裸晶图,每个记忆位的晶格面积为0.346平方微米,整体裸晶面积为119平方毫米,总记忆容量达153Mbits,并容纳了超过10亿个晶体管。(图片来源:Intel.com)



 此外在进程规划上,初期45nm制程将只用于纯SRAM的内存芯片中,在成熟可行后才会用于微处理器中,毕竟微处理器的电路复杂度高于SRAM内存,以新制程进行整合实属更高的挑战,包括微处理器自身的逻辑电路与SRAM内存(高速缓存)都会使用同一制程一体制造成形。

 附注:Intel在65nm制程时,其6T SRAM的晶格面积为0.57um平方微米(2004年4月),大于IBM、TSMC、UMC等业者。

 ■相关技术与实际进度

 除了关心实体尺寸的精缩水平外,到了今年六月左右的时间,Intel也将Tri-Gate(三闸极)晶体管技术用于45nm制程中,三闸极晶体管技术也称为立体晶体管技术,有别于过去的平面晶体管,此作法能为芯片表现带来更多益处,这些益处包括:1.使晶体管开关的切换速度增快45%。2.3.晶体管开关进行短路、开路等切换动作时,其用电量可以再缩减。

  

点击看大图
▲Intel运用45nm制程进行穿梭测试的芯片,图中用了六个正方形的裸晶,最上端的两个裸晶即是45nm的SRAM内存,中端的两块则是SRAM数组、PROM数组、高速缓存器档案(缓存器集合群)、高速I/O电路、高频相锁回路与频率电路,最底端则是离散、分离式的测试结构。(图片来源:Intel.com)



 不仅如此,Intel方面也表示伴随新制程技术也一定会具备的相关技术,三闸极晶体管技术只是其一,另外还会有High-k(高介电质)料材技术以及Strained Silicon(应变硅晶,部分文章也称:张力硅晶、超限度硅晶)技术。

 至于实际量产方面,研发虽是在奥勒岗州(Oregon)的Hillsboro,但Intel第一座会以45nm制程投产的晶圆厂会是在亚利桑纳州(Arizona)的Chandler的Fab 32厂,第二座会是Intel位在以色列Kiryat Gat的Fab 28厂,尤其是Fab 28厂,该厂于2005年底兴建,总投资超过40亿美元,Intel方面出资35亿美元,以色列政府出资5.25亿美元,除此之外Intel也额外投资15亿美元来提升原就位于以色列的Fab 18旧厂。

 虽然Intel进程快速,然而其他业者的发展也不容小觑,同样是45nm制程、同样是SRAM内存芯片试制,AMD的速度只晚了Intel三个月,紧咬着一季的落差实在是高度的红海竞赛,此外IBM、特许、英飞凌等业者在45nm上也是不落人后,看来现在的制程竞赛也逐渐有可能迈向跳跃式竞争:您赢在90nm,我放淡90nm而积极从65nm层级中取胜,反过来另一家业者也往更下一个精缩层次来力求反扑,显见竞争的高热、白热化态势。

  

点击看大图
▲运用新制程技术来试制SRAM并非是今日一时所用的效益表现量度法,从过往以来都有相同的基准性测试,图中可见Intel现有45nm试制与过往三代技术的试制水平之比较。(图片来源:Intel.com)



 附带一提的是,Intel原先预计2007年下半年正式迈入45nm制程量产的规划,现在似乎已经碰上问题而必须推迟延宕,如今已修正成2008年第一季进行投产。

 附注:TSMC方面的Nexsys 65nm制程也具有三闸极晶体管技术,并称为Triple Gate Oxide,简称:TGO。

发表评论 阅读全文(439) | 回复(0)
评论

标题
姓名  
主页
加粗斜体下划线删除线上标下标删除格式
左对齐居中右对齐两端对齐编号项目符号增加缩进减少缩进创建链接断开链接插入图片
剪切复制粘贴删除撤消重做打印
前景色背景色
插入时间插入日期插入水平尺
预览选择所有清除word格式
qq表情msn表情Yahoo表情
上传图片上传压缩包上传文档上传flash
验证码: