英特尔将批量生产3D晶体管 芯片耗电量大幅降低

英特尔周三在旧金山展示了一项全新的3D晶体管技术，可以在性能不变的情况下，将处理器能耗降低一半。

被称为三栅极的世界上首款3-D晶体管进入生产技术阶段

左边为32纳米平面晶体管，右边为22纳米 3-D三栅极晶体管，示意电流通过的样子

英特尔宣布其研发的3D晶体管将首次投入批量生产，并将用于英特尔代号为Ivy Bridge的22纳米处理器。采用该技术的产品有望于2012年初发布。

据介绍，英特尔的3D晶体管使得芯片能够在更低的电压下运行，并进一步减少漏电量，与之前最先进的晶体管相比，它的性能更高、能效更低。此前的芯片所用晶体管都为平面晶体管。

英特尔表示，基于Ivy Bridge的英特尔酷睿系列处理器将是首批采用3D晶体管进行批量生产的芯片，将可用于笔记本电脑、服务器和台式机。随后，英特尔凌动处理器也将采用最新的3D晶体管，但目前还没有具体时间表。

摩尔定律预言，电脑的性能每2年可提高一倍，因为芯片上的晶体管数量每2年约增加一倍。对于消费者来说，英特尔晶体管的新设计意味着摩尔定律可继续有效。

重大变革

英特尔号称将推动半导体行业50多年来的最大技术变革，通过一款全新的设计为消费电子产品提供更为强大的芯片，而且不会以牺牲电池续航时间为代价。

该公司计划将每款芯片的一个关键部件改造成垂直的鳍状结构，这种理念类似于在城市中修建超高层建筑来增加办公空间。本次改造的部件是晶体管，这是一种基本的电子元件，几乎所有的电子产品都会用到。当今的微处理器已经能够包含数十亿个这种微型开关元件。

英特尔表示。这种最新的设计能够为智能手机和平板电脑提供更强大的计算能力，同时加快企业数据中心的速度，而且还能大幅降低能耗。

尽管竞争对手也在研究类似的技术，但英特尔却是首家承诺将使用所谓的3D方法进行量产的企业。分析师认为，这一冒险之举可以帮助英特尔在性能上与竞争对手相匹敌，从而扭转被智能手机市场排挤的命运。

美国市场研究公司VLSI Research芯片制造专家丹·哈奇森(Dan Hutcheson)说：“我们讨论这种3D电路已经有十多年了，但是没有人有信心将其投入生产。”

英特尔高管周三在旧金山的一次会议上演示了采用这种新方法生产的芯片。他们指出，首款采用这种技术生产的芯片可能会着眼于高端台式机和服务器系统，并将于2012年初推出。

设计原理

2D平面半导体制造工艺是由飞兆半导体公司(Fairchild Semiconductor)的吉恩·赫尔尼(Jean Hoerni)于1959年发明的。该技术后来被英特尔联合创始人罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)采纳，并用来生产集成电路。

英特尔高管表示，采用3D晶体管设计将比单纯推出新一代生产技术带来更多的益处。例如，在性能不变的情况下，新技术的能耗将比现有生产技术低一半。

“这是一种空前的成就。我们从来没有以低电压实现过这种性能。”负责新生产工艺开发的英特尔研究员马克·波尔(Mark Bohr)说。

芯片设计师长期以来都在努力突破2D设计，这种设计会在晶体管上覆盖着一层层的互连线缆。而英特尔这款新设计的关键在于晶体管上的一个元件，它决定着电流的速度以及电流的泄露量，从而影响到能耗。

英特尔的工程师将电子的扁平传输渠道替换成一个鳍状的结构，有三个面被一种名为“门”(Gate)的设备包围，这种设备的作用是开关电流。波尔表示，3D形状增大了晶体管“开启”状态下的电流通过量，但在“关闭”的状态下却可以减少泄露量。

英特尔在2002发表的多篇论文中披露了基本方法，并且花了多年时间对其进行完善。该公司已经准备在今后的22纳米生产工艺中全面采用新的设计。英特尔当前的生产工艺为32纳米。

成本因素

放弃传统制造技术可能会导致成本上涨，因此芯片公司通常都会尽力避免这种行为。波尔表示，使用新技术将导致英特尔的成品晶圆成本上涨2%至3%，每个晶圆都包含数百个芯片。

美国市场研究公司Endpoint Technologies Associates市场研究员罗杰·凯(Roger Kay)说：“新的结构足以让该公司生产出大量可靠的22纳米芯片。”

其他企业今后也有望采用这种3D生产方法，但必须要等到生产工艺降到22纳米以下。从AMD剥离出来的芯片制造商Globalfoundries周三表示，将在今后的20纳米工艺中使用传统的晶体管。该公司发言人称，在推出后续生产工艺前，没有必要使用3D晶体管技术。

英特尔架构集团执行副总裁大卫·珀尔马特(David Perlmutter)在下一代开发代号为“Ivy Bridge”的微处理器中证明了这一技术。他表示，该技术可以对提升图形电路的性能起到一定的帮助，英特尔在这一方面落后于AMD和英伟达(Nvidia)。

但更大的问题在于，3D设计方法能否帮助英特尔的芯片在能耗效率上赶上使用ARM架构的竞争对手。珀尔马特并未透露何时使用新工艺生产专门针对移动设备设计的凌动(Atom)处理器。(书聿)