处理器将进入10GHz时代

无论是对于处理器，图形处理芯片还是存储模块来说，半导体行业都在尽力提高他们的微芯片的速度和复杂程度。但是高速发展的步伐似乎可能会遇到巨大的障碍。

问题来自于更快的时钟速率导致的发热，因为现代半导体架构只有几层原子那么厚。量子效应导致层之间的电流泄露变得越来越严重，芯片能耗和热损失也在急剧增加。

在过去三年中，CPU的平均功耗几乎增加了一倍。在极端的情况下，超过100w的能量被浪费在产生热量上了，这个数字还在增加。

如何有效地为处理器降温对于PC及配件生产厂家来说成了一个越来越难以解决的问题。由于采取了聪明的办法绕开了这个问题，所以发展的步伐并没有停下来，10GHz的处理器在2007年之前初现曙光。

半导体发展的规则就是著名的摩尔定律：Gordon Moore在Intel成立之初是技术总监，他在1965年半导体芯片复杂程度将在每18个月增加一倍，而计算能力也将同比增长。

在其后的将近40年中，行业的发展都基本符合了这一定律，看起来似乎它还将在未来十年中继续有效。

目前处理器技术的基础是CMOS（互补金属氧化物半导体，Complementary Metal Oxide Semiconductor）晶体管。这些原理是所有现代芯片的基础。一个晶体管有三个基本部分构成：源极、栅极和漏极。

如果在栅极加载一个电压，源极到漏极之间就形成了一个电流的通路。电流流经的路线叫沟槽。如果在栅极上没有电压，那么晶体管就把这个通路阻断，也就是处于关闭的状态。通过利用这种功能，多个晶体管一起可以组成各种电路。

六个晶体管就足够在存储芯片中形成一个存储单元了。但是现代处理器或者图形芯片复杂的功能性经常需要超过10,000个晶体管共同构成一个存储单元。

总的来说，在处理器中晶体管的数目相当巨大：在最新的AMD Athlon 64中有1亿600万个，而在Intel的Pentium 4中有1亿2500万个，所有这些晶体管都分布在指甲盖大小的面积上。图形芯片甚至更为复杂：Nvidia的Geforce FX 6800就有2亿2200万个晶体管。

更小的半导体架构需要集成大量的晶体管，而且要达到更高的频率。半导体生产过程中涉及到的技术指标包括结构规模（structural size），这是一种度量所使用的最小单元大小的指标。

目前在PC领域中所使用的是0.13微米（一微米是一米的百万分之一，有时可以看到它的旧称“micron”）。从2004年初开始，2004开始在它的Prescott Pentium 4 CPU中使用90纳米（0.09微米）制造工艺，最近AMD也开始使用这一工艺标准。

为了帮助大家了解这个尺寸，我们来做一个对比，人类的头发的直径大约在100微米左右，也就是说比90纳米要大1000倍左右。流感病毒的直径大约是100纳米左右，这同90纳米的大小比较接近。

在转向90纳米技术的同时，半导体制造商们已经开始研究65纳米的技术，并且已经计划在2007年能够采用45纳米的技术。在2011年，技术进步将达到22纳米的水平。

这些结构是通过影印术（photographic）、气相沉积（vapour deposition），蚀刻术和切割等一系列工序加工而成的。在处理器被加工完成之前，需要完成几百个独立的步骤和非常耗时的程序。

如果在生产过程中出现了电力供应中断（就如同1999年台湾地震后的情况），那么几个星期的努力就将付诸东流。

分层结构

半导体制造业的基础是建立在小小的、非常精巧的、纯硅的薄片之上的：晶元（wafer）。在严格真空的条件下，不同的材料层，比如二氧化硅（石英，SiO2）或者掺杂硅将沉积在晶元上。

使用光学刻蚀（photo-lithography），通过交替在光源中暴露和蚀刻，在晶元上刻出相应的沟槽。每层上都有光致抗蚀剂（photosensitive resist）。

然后将这些层面通过一个遮光模暴露在光源之中，没有被遮挡的部分被冲掉。在曝光过程中，被照射到的部分下面的材料会被蚀刻。

通过使用越来越强的光源，就有可能制造出越来越微小的电路。大小直接取决于所采用的光波的波长，通过使用更高的光照能源，这个数值也会随之减小。

紫外线（Ultraviolet light，UV）的波长是193纳米，在生产90纳米产品的时候就采用了紫外线作为光源。通过巧妙地利用干涉效应，它有可能产生宽度为50纳米的线条。

但是当光波波长变得更短的时候却出现了问题：当波长短于157纳米的时候，就不能够再使用光学透镜，因为无论是玻璃还是水晶在这个范围内都不再是透明的。作为替代方案，人们开始使用反射镜，但是这样做在增加了难度的同时，也增加了制造的成本。

铜和电阻

当晶元上所有的晶体管都制造完成了之后，必须在它们之间建立起联系以制造出设计中的电路。这是通过使用金属层来完成的。金属层覆盖在半导体层之上。

在现代芯片中，金属传导使用的是复杂的三维交错方式而且在多达九个金属层上进行，这样复杂的传导结构构成了电路。二氧化硅被作为各个金属传导层之间的绝缘体得到应用。

在很长一段时间里，传导所使用的金属是铝，但是从2000年开始，铜正在逐步取代这一工作。由于铝的传导效率比较低，所以大量的能量都浪费在热损耗上。

高电阻也降低了信号传输的速度。而与之相对比，铜则具有更好的传导性，这也就是为什么电线通常是由铜制成的原因。

在晶元上所有的半导体结构都完成了之后就必须进行第一项测试。在这个测试中，最大时钟频率就被测定出来。这也就是说使用这个晶元所制造的芯片所能达到的速度。最后，独立的芯片会从晶元上被切割下来，然后封装成为处理器。

使用300mm的晶元成本更低

生产芯片时所采用的晶元的大小对于生产成本影响巨大。目前，大部分的生产厂商都正在从200mm转向使用300mm的晶元，因为这样的话，每个晶元上所能生产的芯片数目几乎增加了一倍。

单一晶元上所能生产的芯片数目的增加是由于随着面积/半径的扩大，300mm的晶元意味着在边角部分切割出矩形芯片所浪费的面积会更少。使用更大的晶元还能够将生产每个芯片平均耗费的水、电降低最多40%。

Intel已经在它的四个加工厂（fabrication plants ，fabs）中开始使用300mm的晶元，并且计划投资20亿美元将在亚利桑那州的一个加工厂变成第五个使用300mm晶元的加工厂。AMD正在要求它的德国工厂使用300mm晶元，时间计划也是安排在2005年。

新技术

目前产品化的热点是绝缘体上覆硅晶（Silicon on Insulator，SOI）、称之为高K（high-k dielectrics）的材料和应变硅（strained silicon）技术。AMD正在使用SOI技术来解决源极和漏极之间电流泄露的问题。通过在源极和漏极结果中使用一个附加的绝缘氧化层，极大地减少了由于电流泄露造成的干扰。

目前处理器制造商必须解决的另一个问题是由于源极-漏极之间的沟道和栅极之间越来越薄的阻断层（barrier layer）造成的。

在目前的90纳米的晶体管制造工艺中，1.2纳米厚二氧化硅层只有相当于几层原子的厚度，很快就会失去绝缘性能。如果有微弱的电流穿透它，就会增加功耗。

这就导致了在栅极中高K绝缘体的应用，也就是说使这些层具有更高的电容率。这提高了晶体管的性能和转换速度，同时使得3纳米的、更厚的阻断层成为可能。

电流泄露现象可以被减少。Intel计划2007年在它的45纳米制造工艺中使用高K绝缘体。

应变硅技术

应变硅（Strained silicon）技术减少了晶体管的反应时间。一张带有张力的硅锗薄膜被放在沟道区域，因此就改变了半导体结构的网格结构。这导致了更大的原子通过空间，所以电流中的电子的迁移率能够提高30%。

这项技术的原理是硅锗层（SiGe）的网格大小大于纯硅的网格，因此在拉伸方向的电子迁移率就会提高，这样减少了衬底层的寄生三极管所获得的电压。

而Intel则计划在2005年在65纳米产品中采用应变硅技术。AMD在2004年年底在它的90纳米的Athlon 64 CPUs中采用SOI和应变硅两项技术。

晶体管向立体发展

在将来，AMD和Intel都计划采用立体结构来进行晶体管设计：3门结构中，不同于传统晶体管，它采用的是立体结构，电流从源极到漏极之间进行立体的流动。

更大的接触面积提高了电流的传导率，并且有效减少了电流泄露。立体晶体管（trigate transistor）计划将在2007年出现。

Intel撕下速度标签

Intel的新的CPU命名规则似乎为CPU速度是否能够如同预期那样得到提高提供了线索；处理器速度在产品描述中已经完全消失了，在未来将会有一个指示器，时钟频率不会像过去那样显著提高。

尽管如此，在桌面电脑上的降低能耗选项变得更加重要。AMD的Cool & Quiet开了个好头，Intel也在进行类似的工作。

越来越多的流言在说Intel将合并它的桌面产品线和移动产品线。在以色列的开发者已经在致力于Merom的开发，从2007年以后，它能够帮助Intel的移动CPU技术适应桌面系统应用。

在将来，高性能将不仅仅来源于更快的CPU，而且可以通过多个处理器内核芯片来实现。Intel已经在消费者市场中实现了虚拟双处理器内核的超线程技术。包括AMD的Opteron和Intel的Itanium服务器CPU的第一批多内核版本已经计划将在2005年推出。

展望未来

从历史上看，半导体行业能够克服前进道路上绝大部分的障碍。即使是前方的障碍变得更大、更艰巨，研究人员的聪明才智似乎也没有枯竭。

面临这么多的问题，情形确实不容乐观。这个行业不仅仅需要大谈特谈摩尔定律，如果行业想要继续发展，就需要依照这个定律，努力前进。

当然，由于硅的原子结构，从物理角度来说是会存在一定的极限。但是如果你认为这将终止小型化的发展，你就应该想想在量子计算（quantum computing）上刚刚获得的研究成果，然后你就会发现，我们即将步入一个让人兴奋的伟大时代。

（责任编辑：张竺）

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