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从10μm到45nm!英特尔CPU工艺发展史

发布时间:2007-11-09 20:19:00 来源:比特网 作者:佚名
关键字:新闻

      自1947年晶体管发明迄今,科技进步的速度惊人,催生了功能更为先进强大,又能兼顾成本效益和耗电量的产品。虽然科技进展迅速,但晶体管产生的废热和漏电,仍是缩小设计及延续摩尔定律 (Moore ' s Law) 的最大障碍,因此业界必须以新材料取代过去40年来制作晶体管的材料。

  翻查晶体管历史,2007年正好是晶体管诞生60周年,首颗晶体管出现于1947年12月16日,贝尔实验室 (Bell Labs)的William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain成功制作第一个晶体管,改变了人类的历史。那么,在这60周年的今天,Intel公司将首次推出45nm工艺处理器

  首先我们来了解一下摩尔定律,是由Intel的创始人戈登摩尔(Gordon Moore)通过长期的对比,研究后发现:CPU中的部件(我们现在所说的晶体管)在不断增加,其价格也在不断下降。“随着单位成本的降低以及单个集成电路集成的晶体管数量的增加;到1975年,从经济学来分析,单个集成电路应该集成65000个晶体管。”Intel此后几年的发展都被摩尔提前算在了纸上,使人们大为惊奇,“摩尔定律”也名声大振。为了让人们更直观地了解摩尔定律,摩尔及其同事总结出一句极为精练的公式 “集成电路所包含的晶体管每18个月就会翻一番”。

从10μm到45nm!英特尔CPU工艺发展史
摩尔定律之父——戈登摩尔

  之后的芯片内集成的晶体管数量也证实了他的这句话,并且发展速度还在加快。从芯片制造工艺来看,在1965年推出的10微米(μm)处理器后,经历了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微米的制造工艺将是目前CPU的最高工艺。以下我们就来简单的见证一下Intel CPU工艺制程一路走来的风雨历程。

  奇怪的是每当新一代CPU问世时,人们都会热衷于讨论它采用了多少微米或纳米制程。的确,每一次制程(或制造工艺)的进步都会对芯片制造业产生举足轻重的影响,并演绎一个个经典的传奇。

  1965年,按照摩尔老先生在文章中提出,芯片上集成的晶体管数量大约每18个月就将翻一番。这意味着,只有不断提高工艺,增加晶体管集成度,才能提升芯片主频和性能。就这样,在1971年,Intel发布了第一个微处理器4004。4004采用10微米工艺生产,仅包含2300多个晶体管,时钟频率为108KHz。由于功能较弱,计算速度慢,4004只能用在Busicom计算器上。


4004处理器全家福

  接下来到了1974年,主频为2MHz的8位微处理器8080问世,它采用6微米工艺,集成了6000个晶体管。由于它采用了NMOS(N沟道MOS)电路,因此运算速度比8008快10倍,后者采用了PMOS(P沟道MOS)电路。之后,在1978年Intel又陆续推出了8086处理器,这时工艺已经缩减为3微米工艺,含2.9万个晶体管,频率有4.77MHz、8MHz和10MHz。


Intel 486处理器芯片内集成了125万个晶体管

  直到了1983年,Intel首次推出了新型处理器286,它含有13.4万个晶体管,频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。随后1985年,推出了386处理器,含27.5万个晶体管,频率为16~33MHz,具备初级多任务处理能力)等处理器。1989年,Intel发布了486处理器。这款经过4年开发和3亿美金投入的处理器首次突破了100万个晶体管大关,主频也从25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz、66MHz,此时,处理器工艺已经全面采用了1微米工艺,并且在芯片内集成了125万个晶体管,这时芯片内的晶体管数量已经超过了Intel 4004处理器内晶体管数量的五百倍。


Pentium让CPU工艺从微米时代跨入了纳米

  随后的一段时期里,CPU制程开始向更高水平迈进。直到1993年,采用800纳米的奔腾(Pentium)的出世,让CPU全面从微米时代跨入了纳米时代。奔腾含有310万个晶体管,代表型号有Pentium 60(60MHz)和Pentium 66(66MHz)。此后,Intel又推出了奔腾75MHz~120MHz,制造工艺则提高到500纳米,此后CPU发展直接就跳转至350nm工艺时代。

  1995年后,半导体行业已普遍采用0.35微米(350nm)工艺进行主流芯片的生产。从Pentium 133开始,Intel也开始采用0.35微米制程,新工艺的应用使得芯片的尺寸不断缩小,集成度不断提高,功耗降低,性能也相应提高了。

  采用0.35微米工艺的产品还有Intel的Pentium MMX、Pentium Pro和早期Pentium Ⅱ(Klamath核心)及赛扬(Covington核心)等产品。


0.35微米工艺的经典产品:Pentium MMX

  Pentium MMX(多能奔腾,P55C)是最典型的产品,它是第一个拥有MMX(Multi Media Extensions,多媒体扩展指令集,是Intel于1996年发明的一项多媒体指令增强技术,包括57条多媒体指令)技术的处理器,拥有16KB数据L1 Cache,16KB指令L1 Cache,具备450万个晶体管,功耗17W。在0.35微米工艺的帮助下,工作频率突破了200MHz。

  那么,随着CPU性能及频率的增加,原有的制造工艺已无法满足要求。因此,0.25微米工艺便应运而生。与0.35微米工艺相比,使用0.25微米制程可使处理器的运算速度提升一倍以上,且工作电压更低,功耗更少。同时,芯片的封装面积更小、成本更低、功能也更强。

  采用0.25微米工艺的Intel处理器主要有Pentium Ⅱ(Deschutes核心)、Pentium Ⅲ(Katmai、Confidential核心)及赛扬(Mendicino核心)等。


老PIII的照片


新封装的PIII照片

  最具代表性的产品当数Katmai及Confidential核心的Pentium Ⅲ,采用0.25微米制造工艺,集成900万个晶体管,支持包含70条新指令的SSE指令集,早期版本采用Slot 1接口。其中Katmai核心的产品运行在100MHz外频下,主频为450MHz、500MHz、550MHz。这时的CPU外型有些现在最新CPU的雏形。

  此前,芯片制造工艺的更新换代是以3年为一周期,但Intel率先将此周期缩短为2年。我们可以从发现,Intel公司在1995年实现了0.35微米工艺量产,1997年便已推出0.25微米产品,1999年又推出了0.18微米工艺,而2001年则实现0.13微米产品的量产。虽然0.18微米(180nm)工艺不如0.13微米工艺那么锋芒毕露,但也不容忽视。

  采用0.18微米工艺的处理器主要有Pentium Ⅲ(Coppermine核心)、Pentium 4(Willamette核心)等产品。其中Coppermine(铜矿)核心的Pentium Ⅲ集成了950万个晶体管,主频为500MHz~1GHz,核心电压1.65V,制程从0.25微米转向0.18微米,片内集成256KB全速二级缓存,系统总线频率有100MHz和133MHz两种。


P4处理器的来临将工艺缩小为0.18微米

  当然,采用0.18微米工艺的处理器还有Pentium 4处理器的开山之作——性能平平的Willamette,它集成了4200万个晶体管,主频为1.3GHz~2GHz,采用0.18微米铝布线工艺,二级缓存为256KB,外频为100MHz,FSB(前端总线)为400MHz,核心电压为1.75v,Willamette核心的产品有Socket 423/478两种接口。

  随着时间的推移,正如摩尔定律所说,制造工艺的进步无可阻挡,CPU在经历了180nm工艺后,在2001年直接杀入了130nm时代。与0.18微米工艺相比,新的0.13微米(130nm)工艺的氧化层可减少30%以上,工作电压可达到更低,芯片面积更小。每块芯片的成本将因此大幅下滑,这对提升处理器/显示芯片的价格竞争力大有裨益,芯片使用0.13微米取代0.18微米工艺便势如破竹,成为了芯片制造界历史上一次重大的变革。


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