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从10μm到45nm!英特尔CPU工艺发展史

出处:比特网 作者:佚名 2007-11-09 20:19 评论
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  0.13微米工艺孕育了多款主流的处理器,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)等产品。

  在0.13微米工艺的帮助下,Intel推出了性能非常出色的Tualatin(图拉丁)Pentium Ⅲ。作为Intel在Socket 370架构上的“绝唱”,Tualatin核心处理器的电压降至1.5V左右,主频范围在1GHz~1.4GHz,二级缓存有512KB(Pentium Ⅲ-S)和256KB(Pentium Ⅲ和赛扬),可超频性很强。凭借先进的制程,Tualatin核心Pentium Ⅲ的性能甚至超过了0.18微米的Pentium 4。Pentium 4C也是0.13微米时代的强者,其最大特点是支持800MHz前端总线,集成了5500万个晶体管,支持HT超线程技术,其较低的功耗和较高的性价比曾一度让人怀疑Pentium 4E(Prescott)是否有必要推出。

  但最后Intel还是给出了答案,在2004年推出核心为Prescott的Pentium 4E处理器,在此次推出的Pentium 4E处理器中,一个显著的特点就工艺再次改进为90nm,集成了1亿个晶体管。其中首批90nm处理器型号为3.40E GHz、3.20E GHz、3.00E GHz、2.80E GHz P4(“E”后缀商标)支持超线程技术,800MHz前端总线和1MB二级缓存; 但工艺的提升,没有使得功耗降低,主频的提升,使得Prescott功耗开始走高。

  

从10μm到45nm!英特尔CPU工艺发展史从10μm到45nm!英特尔CPU工艺发展史

  此时,Intel推出90nm处理器后,并且在最短的时间内宣布全面进入90nm时代。而AMD在工艺制程方面比英特尔显然慢了一大步,因此,在2004年,AMD和英特尔在制造工艺上的距离已经拉开。

  但随着芯片中晶体管数量增加,原本仅数个原子层厚的二氧化硅绝缘层会变得更薄进而导致泄漏更多电流,随后泄漏的电流又增加了芯片额外的功耗。

  此时,由于受“泄漏电流”的影响,导致后续产品频率无法提升,功耗高居不下。为了从当前的窘境中逃出来,Intel迅速部署65nm产品计划。迅速在2005年推出了Pentium Extreme Edition 955,标志着Intel进入一个新的阶段,65nm时代的来临。

  Pentium Extreme Edition 955处理器基于65nm工艺,是整个Pentium D 900系列双核心产品中最高端的一款。

  

The Intel Pentium Extreme Edition 955 with 376 million transistors.
Pentium Extreme Edition 955

  尽管新品均采用65nm工艺制造,但其TDP(Thermal Design Power)依然为130W。工作电压需要从1.2v到1.375V,机箱内部温度不能够超过68.6度。不过,Preslers无论在制造工艺还是架构变革方面都有了非常大改进,包括独立的双L2 Cache设计,以及制造工艺较90nm产品有了非常大的改观。

  虽然这一代产品晶体管材质较上一代并没有太大变化,但是在漏电方面的改进还是非常显著的,起初在90nm工艺下采用的应变硅技术,在新一代65nm处理器上得到进一步发展,虽然绝缘层还是停留在1.2nm,但是晶体管扭曲提升了15%,这样的结果就是漏电减小了4分之一,这样也使的晶体管的响应速度在没有功耗提升的情况下提升了近30%,整体表现还是不错的。

  目前Intel两年一跟换工艺,在65nm工艺处理器全面上市后,Intel再次提升了CPU的制作工艺,将在本月16号推出其首款45nm Penryn处理器。全新45nm Penryn家族共有7名成员,包括双核心桌面处理器Wolfdate、四核心桌面处理器Yorkfield、双核心行动处理器 Penryn、双核心Xeon DP处理器 Wolfdate DP、四核心 Xeon DP处理器Harpertown、双核心 Xeon MP处理器Dunnington DC及四核心Xeon MP处理器Dunnington QC。

  

45nm Penryn样品全面胜于65nm Conroe
Intel首款45nm Penryn处理器QX9650

  Penryn双核心版本内建 4.1 亿个晶体管,四核心则有8.2亿个晶体管,微架构经强化后,在相同频率下较上代Core产品拥有更高性能,同时L 2 Cache容量亦提升50%,明显提高数据读取执行的命中率。此外,亦加入47条全新Intel SSE4指令,提高媒体性能和实现高性能运算应用。

  另外,由于深知漏电问题将会阻碍芯片和个人计算机的设计、大小、耗电量、噪声与成本开发,因此,新一代Penryn处理器家族将采用全新材料制作的45nm晶体管绝缘层(insulating wall)和开关闸极 (switching gate),减低晶体管漏电(electrical leakage)情况。

  为能达到大幅降低漏电情形且可同时提升效能目标,Intel采用被称为High-k的新材料制作晶体管闸极电介质(transistor gate dielectric),而晶体管闸极的电极 (transistor gate electrode)也将搭配采用全新金属材料组合,增加驱动电流20%以上,不仅提升晶体管效能,同时源极 - 汲极 (source-drain) 漏电也可减少逾5倍,明显改善晶体管耗电量。这样,在目前来说还是很的控制了漏电问题。

  ● 45nm究竟有多小?

  由于nm不像厘米和毫米,肉眼即可来量度察看,多数人对于nm可能没有概念,其实1米约相为10亿nm,相比1947年贝尔实验室 (Bell Labs) 第一颗晶体管大到可以握在手中,而数百颗45 nm晶体管加起来,才相等于1个红血球细胞的表面积那么点大,可想而知从1947年生产的第一个晶体管到现在60年来电晶体技术的进步十分神速。

  如果日常用品以nm作为直径量度单位,小钉子约等于2千万nm,3 万余颗 45 nm晶体管加起来只有针头大小,约为 150 万nm左右。1 人类毛发约等于9万nm,2 千多颗 45 nm晶体管加起来才相当于人类一根毛发的宽度,连看不到的细菌,原来它的直径也有2,000nm,因此,肉眼要看到45nm晶体管,必须需要非常先进的显微镜工具才能达成。

  [结语]:目前,45纳米制造工艺即将成为市场的主流,未来最大的挑战是32纳米,以及更高级的22纳米。据悉,英特尔已经计划于2009年推出32纳米的处理器产品。

  随着处理器芯片集成晶体数量的变化,工艺的变化也会随之调整,那么,未来32纳米制造工艺,无疑将成为先进技术的代表,相比而言它体积更小,性能更高。但同时,要实现32纳米制造工艺必须解决各个方面的诸多技术难题。未来32纳米制造工艺面临的挑战依然严峻。

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