從mnm英特爾CPU制程發(fā)展史

1、0從m-nm英特爾CPU制程發(fā)展史從 10 叩-45nm 英特爾 CPU 制程發(fā)展史(2009-06-13 205433)轉(zhuǎn)載從 10 叩-45nm 英特爾 CPU 制程發(fā)展史 來源工作站之家作者工作站之家新聞組時間 2008-09-09 180605 收藏本文 【大中小】自 1947 年晶體管發(fā)明迄今 , 科技進步的速度驚人 , 催生了功能更為先進強大 , 又能兼顧成本效益和耗電量的產(chǎn)品。雖然科技進展迅速 , 但晶體管產(chǎn)生的廢熱和漏 電, 仍是縮小設(shè)計及延續(xù)摩爾定律 (Moore s Law) 的最大障礙 , 因此業(yè)界必須以新 材料取代過去 40年來制作晶體管的材料。翻查晶體管歷史 ,200

2、7 年正好是晶體管誕生 60 周年, 首顆晶體管出現(xiàn)于 1947 年 12月 16 日, 貝爾實驗室 (Bell Labs) 的 William Shockley 、John Bardeen 和 Walter Brattain成功制作第一個晶體管 , 改變了人類的歷史。那么 , 在這 60 周年 的今天,lntel 公司將首次推出 45nm 工藝處理器。首先我們來了解一下摩爾定律 , 是由 Intel 的創(chuàng)始人戈登摩爾 (Gordon Moore) 通過長期的對比，研究后發(fā)現(xiàn):CPU 中的部件(我們現(xiàn)在所說的晶體管)在不斷增加，其價格也在不斷下降?！半S著單位成本的降低以及單個集成電路集成的晶體

3、管數(shù)量 的增加 ; 到 1975年, 從經(jīng)濟學(xué)來分析 , 單個集成電路應(yīng)該集成 65000 個晶體 管?！?In tel 此后幾年的發(fā)展都被摩爾提前算在了紙上，使人們大為驚奇，“摩爾定 律”也名聲大振。為了讓人們更直觀地了解摩爾定律 , 摩爾及其同事總結(jié)出一句極 為精練的公式“集成電路所包含的晶體管每 18 個月就會翻一番”摩爾定律之父戈登摩爾之后的芯片內(nèi)集成的晶體管數(shù)量也證實了他的這句話, 并且發(fā)展速度還在加快。從芯片制造工藝來看,在 1965 年推出的 10 微米（卩 m）處理器后，經(jīng)歷了 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

4、.13 微米、 0.09 微米、0.065 微米,而 0.045 微米的制造工藝將是目前 CPU 勺最高工藝。以下 我們就來簡單的見證一下 Intel CPU 工藝制程一路走來的風(fēng)雨歷程。奇怪的是每當新一代 CPU可世時,人們都會熱衷于討論它采用了多少微米或納 米制程。的確 , 每一次制程（或制造工藝 ）的進步都會對芯片制造業(yè)產(chǎn)生舉足輕重的 影響, 并演繹一個個經(jīng)典的傳奇。1 965 年,按照摩爾老先生在文章中提出 , 芯片上集成的晶體管數(shù)量大約每 18 個月就將翻一番。這意味著 , 只有不斷提高工藝 , 增加晶體管集成度 , 才能提升芯片 主頻和性能。就這樣,在 1971 年,In tel

5、發(fā)布了第一個微處理器 4004。4004 采用 10 微米工藝生產(chǎn),僅包含 2300 多個晶體管,時鐘頻率為 108KHz 由于功能較弱,計算 速度慢,4004 只能用在Busicom 計算器上。4004 處理器全家福接下來到了 1974 年,主頻為 2MHZ 勺 8 位微處理器 8080 問世,它采用 6 微米工藝，集成了 6000 個晶體管。由于它采用了 NMOS（N 勾道 MOS電路,因此運算速度比 8008 快 10 倍，后者采用了 PMOS（P 勾道 MOS 電路。之后，在1978 年 Intel 又陸續(xù)推出了 8086 處理器, 這時工藝已經(jīng)縮減為 3 微米工藝, 含 2.9 萬個

6、晶體管，頻率有 4.77MHz 8MHz 和 10MHzIntel 486 處理器芯片內(nèi)集成了 125 萬個晶體管直到了 1983 年,Intel 首次推出了新型處理器 286,它含有 13.4 萬個晶體管，頻率為 6MHz 8MHz 10MHz 和 12.5MHz.隨后 1985 年,推出了 386 處理器,含 27.5 萬個晶體管,頻率為 16 33MHz,具備初級多任務(wù)處理能力)等處理器。1989年,In tel 發(fā)布了 486 處理器。這款經(jīng)過 4 年開發(fā)和 3 億美金投入的處理器首次突 破了 100萬個晶體管大關(guān),主頻也從 25MHz 逐步提高到 33MHz 40MHz 50MHz

7、66MHz 此時,處理器工藝已經(jīng)全面采用了 1 微米工藝,并且在芯片內(nèi)集成了 125 萬個 晶體管 , 這時芯片內(nèi)的晶體管數(shù)量已經(jīng)超過了 Intel 4004 處理器內(nèi)晶體管數(shù)量的五 百倍。Pentium 讓 CPU 工藝從微米時代跨入了納米隨后的一段時期里 ,CPU 制程開始向更高水平邁進。直到 1993 年, 采用 800 納 米的奔騰(Pentium)的出世，讓 CPU 全面從微米時代跨入了納米時代。奔騰含有310萬個晶體管 , 代表型號有 Pentium 60(60MHz) 和 Pentium 66(66MHz) 。此后 ,Intel 又推出了奔騰 75MHz120MH 制造工藝則提高

8、到 500 納米，此后 CPU 發(fā)展直接就跳 轉(zhuǎn)至350nm 工藝時代。1995 年后，半導(dǎo)體行業(yè)已普遍采用 0.35 微米(35Onm)工藝進行主流芯片的生 產(chǎn)。從 Pe ntium 133 開始,In tel 也開始采用 0.35 微米制程，新工藝的應(yīng)用使得芯 片的尺寸不斷縮小 , 集成度不斷提高 , 功耗降低 , 性能也相應(yīng)提高了。采用 0.35 微米工藝的產(chǎn)品還有 Intel 的 Pentium MMX Pentium Pro 和早期 Pentiumn(Klamath 核心)及賽揚(Covington 核心)等產(chǎn)品。0.35 微米工藝的經(jīng)典產(chǎn)品 :Pentium MMXPentium

9、MMX 多能奔騰,P55C)是最典型的產(chǎn)品，它是第一個擁有 MMX(MultiMedia Extensions, 多媒體擴展指令集 , 是 Intel 于 1996 年發(fā)明的一項多媒體指令 增強技術(shù),包括 57 條多媒體指令)技術(shù)的處理器，擁有 16KB 數(shù)據(jù) L1 Cache,16KB 指 令 L1 Cache,具備 450 萬個晶體管，功耗 17W 在 0.35 微米工藝的幫助下，工作頻率 突破了 200MHz那么,隨著 CPU 生能及頻率的增加,原有的制造工藝已無法滿足要求。因此,0.25 微米工藝便應(yīng)運而生。與 0.35 微米工藝相比 , 使用 0.25 微米制程可使處 理器的運算速度

10、提升一倍以上 , 且工作電壓更低 , 功耗更少。同時 , 芯片的封裝面積 更小、成本更低、功能也更強。采用 0.25 微米工藝的 In tel 處理器主要有 Pen tiumn（Deschutes 核心）、Pentium 川（Katmai、Confidential 核心）及賽揚（Mendicino 核心）等。老 PIII 的照片新封裝的 PIII 照片最具代表性的產(chǎn)品當數(shù) Katmai 及 Confidential 核心的 Pentium 川,采用0.25 微米制造工藝 ,集成 900 萬個晶體管,支持包含 70 條新指令的 SSE 旨令集,早期版本采用Slot 1 接口。其中 Katmai

11、核心的產(chǎn)品運行在 100MHz 外頻下,主頻為 450MHz 500MHz550MHz 這時的 CPU 外型有些現(xiàn)在最新 CPU 的雛形。此前, 芯片制造工藝的更新?lián)Q代是以 3 年為一周期 , 但 Intel 率先將此周期縮 短為 2年。我們可以從發(fā)現(xiàn) ,Intel 公司在 1995 年實現(xiàn)了 0.35 微米工藝量產(chǎn) ,1997 年便已推出0.25 微米產(chǎn)品 , 1999 年又推出了 0.18 微米工藝 , 而 2001 年則實現(xiàn) 0.13 微米產(chǎn)品的量產(chǎn)。雖然 0.18 微米（180nm）工藝不如 0.13 微米工藝那么鋒芒畢 露 , 但也不容忽視。采用 0.18 微米工藝的處理器主要有 P

12、entium 川（Coppermine 核心）、Pentium 4（Willamette 核心）等產(chǎn)品。其中 Coppermine（銅礦）核心的 Pentium 川集成了 950 萬個晶體管,主頻為 500MHz 1GHz 核心電壓 1.65V,制程從 0.25 微米轉(zhuǎn)向 0.18 微 米,片內(nèi)集成 256KB 全速二級緩存,系統(tǒng)總線頻率有 100MHz 和 133MHz 兩種。P4 處理器的來臨將工藝縮小為 0.18 微米當然, 采用 0.18 微米工藝的處理器還有 Pentium 4 處理器的開山之作性 能平平的 Willamette,它集成了 4200 萬個晶體管,主頻為 1.3GHz2

13、GHz 采用 0.18 微米鋁布線工藝,二級緩存為 256KB,外頻為 100MHz,FSB 前端總線)為 400MHz 核心 電壓為1.75v,Willamette 核心的產(chǎn)品有 Socket 423478 兩種接口。隨著時間的推移，正如摩爾定律所說，制造工藝的進步無可阻擋，CPU 在經(jīng)歷了180nm 工藝后,在 2001 年直接殺入了 130nm 時代。與 0.18 微米工藝相比,新的 0.13 微米(130nm)工藝的氧化層可減少 30%上,工作電壓可達到更低,芯片面積更小。 每塊芯片的成本將因此大幅下滑 , 這對提升處理器顯示芯片的價格競爭力大有裨益 , 芯片使用 0.13微米取代 0

14、.18 微米工藝便勢如破竹 , 成為了芯片制造界歷史上一次 重大的變革。0.13 微米工藝孕育了多款主流的處理器 , 其中 Intel 主要有 Tualatin 系列 (Pentium川-S 及 Celeron 川)、Northwood 系列(Pentium 4 ABC、Celeron 4)等 產(chǎn)品。在 0.13 微米工藝的幫助下 ,Intel 推出了性能非常出色的 Tualatin( 圖拉丁)Pentium 川。作為 Intel 在 Socket 370 架構(gòu)上的“絕唱” ,Tualatin 核心處理 器的電壓降至 1.5V 左右,主頻范圍在 1GHz 1.4GHz 二級緩存有 512KB(

15、Pentium 川-S)和256KB(Pentium 川和賽揚)，可超頻性很強。憑借先進的制程,Tualatin 核 心 Pentium 川的性能甚至超過了 0.18 微米的 Pentium 4。Pentium 4C 也是 0.13 微米時代的強者,其最大特點是支持 800MHzt端總線,集成了 5500 萬個晶體管,支 持 HT 超線程技術(shù) , 其較低的功耗和較高的性價比曾一度讓人懷疑 Pentium 4E(Prescott) 是否有必要推出。但最后 Intel 還是給出了答案, 在 2004年推出核心為 Prescott 的 Pentium 4E 處理器, 在此次推出的 Pentium4E

16、 處理器中，一個顯著的特點就工藝再次改進為 90nm 集成了 1 億個晶體 管。其中首批 90nm 處理器型號為 3.40E GHz、3.20E GHz、3.00E GHz、2.80E GHz P4( “E”后綴商標)支持超線程技術(shù),800MHz 前端總線和 1MBT 級緩存；但工藝的 提升, 沒有使得功耗降低 , 主頻的提升 , 使得 Prescott 功耗開始走高。此時,Intel 推出 90nm 處理器后,并且在最短的時間內(nèi)宣布全面進入 90nm 時 代。而AMD 在工藝制程方面比英特爾顯然慢了一大步,因此，在 2004 年,AMD 和英特 爾在制造工藝上的距離已經(jīng)拉開。但隨著芯片中晶體

17、管數(shù)量增加 , 原本僅數(shù)個原子層厚的二氧化硅絕緣層會變得 更薄進而導(dǎo)致泄漏更多電流 , 隨后泄漏的電流又增加了芯片額外的功耗。此時 , 由于受“泄漏電流”的影響 , 導(dǎo)致后續(xù)產(chǎn)品頻率無法提升 , 功耗高居不 下。為了從當前的窘境中逃出來,Intel 迅速部署 65nm 產(chǎn)品計劃。迅速在 2005 年 推出了Pentium Extreme Edition 955, 標志著 Intel 進入一個新的階段 ,65nm 時代 的來臨。Pentium Extreme Edition 955處理器基于 65nm 工藝,是整個 Pentium D 900系列雙核心產(chǎn)品中最高端的一款。Pentium Extr

18、eme Edition 955盡管新品均采用 65nm 工藝制造，但其 TDP(Thermal Design Power)依然為130W 工作電壓需要從 1.2v 到 1.375V,機箱內(nèi)部溫度不能夠超過 68.6 度。不過,Preslers 無論在制造工藝還是架構(gòu)變革方面都有了非常大改進，包括獨立的雙 L2Cache 設(shè)計,以及制造工藝較 90nm 產(chǎn)品有了非常大的改觀。雖然這一代產(chǎn)品晶體管材質(zhì)較上一代并沒有太大變化 , 但是在漏電方面的改進 還是非常顯著的，起初在 90nm 工藝下采用的應(yīng)變硅技術(shù)，在新一代 65nm 處理器上得 到進一步發(fā)展，雖然絕緣層還是停留在 1.2nm,但是晶體管扭

19、曲提升了 15%這樣的結(jié) 果就是漏電減小了 4 分之一 , 這樣也使的晶體管的響應(yīng)速度在沒有功耗提升的情況 下提升了近30%,整體表現(xiàn)還是不錯的。目前 In tel 兩年一跟換工藝,在 65nm 工藝處理器全面上市后,In tel 再次提升 了 CPU的制作工藝,將在本月 16 號推出其首款 45nm Penryn 處理器。全新 45nm Penryn 家族共有 7 名成員, 包括雙核心桌面處理器 Wolfdate 、四核心桌面處理器 Yorkfield、雙核心行動處理器 Penryn、雙核心 Xeon DP 處理器 Wolfdate DP、四 核心 Xeon DP 處理器Harpertown

20、、雙核心 Xeon MF 處理器 Dunnington DC 及四核 心 Xeon MP 處理器Dunnington QC。Intel 首款 45nm Penryn 處理器 QX9650Penryn 雙核心版本內(nèi)建 4.1 億個晶體管 , 四核心則有 8.2 億個晶體管 , 微架 構(gòu)經(jīng)強化后 , 在相同頻率下較上代 Core 產(chǎn)品擁有更高性能 , 同時 L 2 Cache 容量亦 提升 50%,明顯提高數(shù)據(jù)讀取執(zhí)行的命中率。此外 , 亦加入 47 條全新 Intel SSE4 指令, 提高 媒體性能和實現(xiàn)高性能運算應(yīng)用。另外, 由于深知漏電問題將會阻礙芯片和個人計算機的設(shè)計、大小、耗電量、噪聲與成本開發(fā)，因此，新一代 Penryn 處理器家族將采用全新材料制作的 45nm 晶體 管絕緣層 (insulating wall) 和開關(guān)閘極 (switching gate), 減低晶體管漏電 (electrical leakage)情況。為能達到大幅降低漏電情形且可同時提升效能目標 ,Intel 采用被稱為 High-k 的新材料制作晶體管閘極電介質(zhì) (transistor gate dielectric),而晶體管閘極的電極 (transistor gate electrode)也將搭配采用全新金屬材料組合 , 增加驅(qū)動電流20%以上,