從mnm英特爾CPU制程發(fā)展史

1、從nm-nm英特爾CPU制程發(fā)展史從10am45nm英特爾CPU制程發(fā)展史(2009-06-13205433)轉(zhuǎn)載從10am45nm英特爾CPU制程發(fā)展史來(lái)源工作站之家作者工作站之家新聞組時(shí)間2008-09-09180605收藏本文【大中小】自1947年晶體管發(fā)明迄今，科技進(jìn)步的速度驚人，催生了功能更為先進(jìn)強(qiáng)大，又能兼顧成本效益和耗電量的產(chǎn)品。雖然科技進(jìn)展迅速，但晶體管產(chǎn)生的廢熱和漏電，仍是縮小設(shè)計(jì)及延續(xù)摩爾定彳t(Moore'sLaw)的最大障礙，因此業(yè)界必須以新材料取代過(guò)去40年來(lái)制作晶體管的材料。翻查晶體管歷史，2007年正好是晶體管誕生60周年，首顆晶體管出現(xiàn)于1947

2、年12月16日，貝爾實(shí)驗(yàn)室(BellLabs)的W川iamShockley、JohnBardeen和WalterBrattain成功制作第一個(gè)晶體管，改變了人類的歷史。那么，在這60周年的今天，Intel公司將首次推出45nm工藝處理器。首先我們來(lái)了解一下摩爾定律，是由Intel的創(chuàng)始人戈登摩爾(GordonMoore)通過(guò)長(zhǎng)期的對(duì)比，研究后發(fā)現(xiàn)：CPU中的部件(我們現(xiàn)在所說(shuō)的晶體管)在不斷增加，其價(jià)格也在不斷下降?！半S著單位成本的降低以及單個(gè)集成電路集成的晶體管數(shù)量的增加；到1975年，從經(jīng)濟(jì)學(xué)來(lái)分析，單個(gè)集成電路應(yīng)該集成65000個(gè)晶體管。"Intel此后幾年的發(fā)展都被摩爾提前算

3、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(gè)月就會(huì)翻一番”。摩爾定律之父一一戈登摩爾之后的芯片內(nèi)集成的晶體管數(shù)量也證實(shí)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(lái)看，在1965年推出的10微米(am)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、0.13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的最高工藝。以下我們就來(lái)簡(jiǎn)單的見(jiàn)證一下IntelCPU工藝制程一路走來(lái)的風(fēng)雨歷程。奇怪的是每當(dāng)新一代CPU問(wèn)

4、世時(shí)，人們都會(huì)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(jìn)步都會(huì)對(duì)芯片制造業(yè)產(chǎn)生舉足輕重的影響，并演繹一個(gè)個(gè)經(jīng)典的傳奇。1965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(gè)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，Intel發(fā)布了第一個(gè)微處理器4004o4004采用10微米工藝生產(chǎn)，僅包含2300多個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率為108KHz。由于功能較弱，計(jì)算速度慢，4004只能用在Busicom計(jì)算器上。4004處理器全家福接下來(lái)到了1974年，主頻為2MHz的8位微處理器8080問(wèn)世，它

5、采用6微米工藝，集成了6000個(gè)晶體管。由于它采用了NMOS（N溝道MOS）電路，因此運(yùn)算速度比8008快10倍，后者采用了PMOS（P溝道MOS）電路。之后，在1978年Intel又陸續(xù)推出了8086處理器，這時(shí)工藝已經(jīng)縮減為3微米工藝，含2.9萬(wàn)個(gè)晶體管，頻率有4.77MHz、8MHz和10MHz。Intel486處理器芯片內(nèi)集成了125萬(wàn)個(gè)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(wàn)個(gè)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(wàn)個(gè)晶體管，頻率為1633MHz,具備初級(jí)多任務(wù)處理能力）等處理

6、器。1989年，Intel發(fā)布了486處理器。這款經(jīng)過(guò)4年開(kāi)發(fā)和3億美金投入的處理器首次突破了100萬(wàn)個(gè)晶體管大關(guān)，主頻也從25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz、66MHz,此時(shí)，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(wàn)個(gè)晶體管，這時(shí)芯片內(nèi)的晶體管數(shù)量已經(jīng)超過(guò)了Intel4004處理器內(nèi)晶體管數(shù)量的五百倍。Pentium讓CPU工藝從微米時(shí)代跨入了納米隨后的一段時(shí)期里，CPU制程開(kāi)始向更高水平邁進(jìn)。直到1993年，采用800納米的奔騰（Pentium）的出世，讓CPU全面從微米時(shí)代跨入了納米時(shí)代。奔騰含有310萬(wàn)個(gè)晶體管，代表型號(hào)有Pentium60（6

7、0MHz）和Pentium66（66MHz）。此后，Intel又推出了奔騰75MHz120MHz,制造工藝則提高到500納米，此后CPU發(fā)展直接就跳轉(zhuǎn)至350nm工藝時(shí)代。1995年后，半導(dǎo)體行業(yè)已普遍采用0.35微米（350nm）工藝進(jìn)行主流芯片的生產(chǎn)。從Pentium133開(kāi)始，Intel也開(kāi)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PentiumMMX>PentiumPro和早期Pentiumn（Klamath核心）及賽揚(yáng)（Covington核心）等產(chǎn)品。0.35微米工藝的經(jīng)典產(chǎn)

8、品：PentiumMMXPentiumMMX（多能奔騰，P55C）是最典型的產(chǎn)品，它是第一個(gè)擁有MMX（MultiMediaExtensions,多媒體擴(kuò)展指令集，是Intel于1996年發(fā)明的一項(xiàng)多媒體指令增強(qiáng)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)L1Cache,16KB指令L1Cache,具備450萬(wàn)個(gè)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性能及頻率的增加，原有的制造工藝已無(wú)法滿足要求。因此，0.25微米工藝便應(yīng)運(yùn)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(yùn)算速度提升一倍以上，且工作電壓更低，功耗

9、更少。同時(shí)，芯片的封裝面積更小、成本更低、功能也更強(qiáng)。采用0.25微米工藝的Intel處理器主要有Pentiumn（Deschutes核心）、PentiumHI（Katmai、Confidential核心）及賽揚(yáng)（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(dāng)數(shù)Katmai及Confidential核心的Pentiumm，采用0.25微米制造工藝,集成900萬(wàn)個(gè)晶體管，支持包含70條新指令的SSE指令集，早期版本采用Slot1接口。其中Katmai核心的產(chǎn)品運(yùn)行在100MHz外頻下，主頻為450MHz、500MHz、550MHz。這時(shí)的CPU外型有些現(xiàn)在最新

10、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I(xiàn)ntel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(shí)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(shí)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Pentiumm（Coppermine核心）、Pentium4（Willamette核心）等產(chǎn)品。其中Coppermine（銅礦）核心的Pentiumm集成了950萬(wàn)個(gè)晶體管，主頻為500MHz1GHz,

11、核心電壓1.65V,制程從0.25微米車向0.18微米，片內(nèi)集成256KB全速二級(jí)緩存，系統(tǒng)總線頻率有100MHz和133MHz兩種。P4處理器的來(lái)臨將工藝縮小為0.18微米當(dāng)然，采用0.18微米工藝的處理器還有Pentium4處理器的開(kāi)山之作一一性能平平的Willamette,它集成了4200萬(wàn)個(gè)晶體管，主頻為1.3GHz2GHz,采用0.18微米鋁布線工藝，二級(jí)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Socket423478兩種接口。隨著時(shí)間的推移，正如摩爾定律所說(shuō)，制造工藝的進(jìn)步無(wú)可阻擋，CPU在經(jīng)歷了1

12、80nm工藝后，在2001年直接殺入了130nm時(shí)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%以上，工作電壓可達(dá)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(duì)提升處理器顯示芯片的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力大有裨益，芯片使用0.13微米取代0.18微米工藝便勢(shì)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（Pentiumm-S及Celeron出）、Northwood系列（Pentium4ABC、Celeron4）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Tual

13、atin（圖拉?。㏄entiumm。作為Intel在Socket370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1GHz1.4GHz,二級(jí)緩存有512KB（Pentiumm-S開(kāi)口256KB（Pentium田和賽揚(yáng)），可超頻性很強(qiáng)。憑借先進(jìn)的制程，Tualatin核心Pentiumm的性能甚至超過(guò)了0.18微米的Pentium4。Pentium4C也是0.13微米時(shí)代的強(qiáng)者，其最大特點(diǎn)是支持800MHz前端總線，集成了5500萬(wàn)個(gè)晶體管，支持HT超線程技術(shù)，其較低的功耗和較高的性價(jià)比曾一度讓人懷疑Pentium4E（Prescott）是否有必要推出。但最后I

14、ntel還是給出了答案，在2004年推出核心為Prescott的Pentium4E處理器，在此次推出的Pentium4E處理器中，一個(gè)顯著的特點(diǎn)就工藝再次改進(jìn)為90nm,集成了1億個(gè)晶體管。其中首批90nm處理器型號(hào)為3.40EGHz、3.20EGHz、3.00EGHz、2.80EGHzP4（"E”后綴商標(biāo)）支持超線程技術(shù)，800MHz前端總線和1MB二級(jí)緩存；但工藝的提升，沒(méi)有使得功耗降低，主頻的提升，使得Prescott功耗開(kāi)始走高。此時(shí)，Intel推出90nm處理器后，并且在最短的時(shí)間內(nèi)宣布全面進(jìn)入90nm時(shí)代。而AMD在工藝制程方面比英特爾顯然T了一大步，因此，在2004年，

15、AMD和英特爾在制造工藝上的距離已經(jīng)拉開(kāi)。但隨著芯片中晶體管數(shù)量增加，原本僅數(shù)個(gè)原子層厚的二氧化硅絕緣層會(huì)變得更薄進(jìn)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(shí)，由于受“泄漏電流”的影響，導(dǎo)致后續(xù)產(chǎn)品頻率無(wú)法提升，功耗高居不下。為了從當(dāng)前的窘境中逃出來(lái)，Intel迅速部署65nm產(chǎn)品計(jì)劃。迅速在2005年推出了PentiumExtremeEdition955,標(biāo)志著Intel進(jìn)入一個(gè)新的階段，65nm時(shí)代的來(lái)臨。PentiumExtremeEdition955處理器基于65nm工藝，是整個(gè)PentiumD900系列雙核心產(chǎn)品中最高端的一款。PentiumExtremeEdit

16、ion955盡管新品均采用65nm工藝制造，但其TDP(ThermalDesignPower)依然為130W。工作電壓需要從1.2v到1.375V,機(jī)箱內(nèi)部溫度不能夠超過(guò)68.6度。不過(guò)，Preslers無(wú)論在制造工藝還是架構(gòu)變革方面都有了非常大改進(jìn)，包括獨(dú)立的雙L2Cache設(shè)計(jì)，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(méi)有太大變化，但是在漏電方面的改進(jìn)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(jìn)一步發(fā)展，雖然絕緣層還是彳？留在1.2nm,但是晶體管扭曲提升了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

17、管的響應(yīng)速度在沒(méi)有功耗提升的情況下提升了近30%,整體表現(xiàn)還是不錯(cuò)的。目前Intel兩年一跟換工藝，在65nm工藝處理器全面上市后，Intel再次提升了CPU的制作工藝，將在本月16號(hào)推出其首款45nmPenryn處理器。全新45nmPenryn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(dòng)處理器Penryn、雙核心XeonDP處理器WolfdateDP、四核心XeonDP處理器Harpertown、雙核心XeonMP處理器DunningtonDC及四核心XeonMP處理器DunningtonQC。Intel首款45nmPenryn處理器

18、QX9650Penryn雙核心版本內(nèi)建4.1億個(gè)晶體管，四核心則有8.2億個(gè)晶體管，微架構(gòu)經(jīng)強(qiáng)化后,在相同頻率下較上代Core產(chǎn)品擁有更高性能，同時(shí)L2Cache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IntelSSE4指令，提高媒體性能和實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)算應(yīng)用。另外，由于深知漏電問(wèn)題將會(huì)阻礙芯片和個(gè)人計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)、大小、耗電量、噪聲與成本開(kāi)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(insulatingwall)和開(kāi)關(guān)閘極(switchinggate),減低晶體管漏電(electricalleakage)情況。為能達(dá)到大幅降低漏電情形且可同時(shí)提升效能目標(biāo)，Intel采用被稱為High-k的新材料制作晶體管閘極電介質(zhì)(transistorgatedielectric),而晶體管閘極的電極(transistorgateelectrode)也將搭配采用全新金屬材料組