菜鳥成長手冊：45納米CPU制作工藝完全解析

　前言：

    CPU的發展史也可以看作是制作工藝的發展史。如果想要提高CPU的性能，那麼更高的頻率、更先進的核心以及更優秀的緩存架構都是不可或缺的，而此時自然也需要以制作工藝作為保障。幾乎每一次制作工藝的改進都能為CPU發展帶來最強大的源動力，無論是Intel還是AMD，制作工藝都是發展藍圖中的重中之重，如今處理器的制造工藝已經走到了45納米的新舞臺，它將為新一輪CPU高速增長開闢一條康莊大道。

　　很多用戶都對不同的CPU的制作工藝非常熟悉，然而如果問他們什麼是制作工藝，65納米、45納米代表的是什麼，有什麼不同，這些問題他們未必能夠准確地解答，下面我們就一起來詳細了解一下吧。一、銅導互連的末代瘋狂：45納米制作工藝

　　幾乎每一次制作工藝的改進都會給CPU發展帶來巨大的源動力。以如今炙手可熱的Pentium4為例，從最初的0.18微米到隨後的65納米，短短四年中我們看到了驚人的巨變。如今，45納米制作工藝再一次突破了極限，這也被視為是銅導互連技術的最終暢想曲。

　　1.制作工藝的重要性

　　早期的微處理器都是使用0.5微米工藝制造出來的，隨著CPU頻率的增加，原有的工藝已無法滿足產品的要求，這樣便出現了0.35微米以及0.25微米工藝，不久以後，0.18微米、0.13微米以及90納米制造的處理器產品也相繼面世。另外一方面，早期芯片內部都是使用鋁作為導體，但是由於芯片速度的提高，芯片面積的縮小，鋁線已經接近其物理性能極限，所以芯片制造廠商必須找出更好的能夠代替鋁導線的新的技術，這便是我們常說的銅導技術。銅導線與鋁導線相比，有很大的優勢，具體表現在其導電性要優於鋁，而且電阻小，所以發熱量也要小於現在所使用的鋁，從而可以有效地提高芯片的穩定性。我們今天所要介紹的65納米技術也是向著這一方向發展。

Intel在IDF 2007上驕傲地展示45nm工藝

　　光刻蝕是目前CPU制造過程當中工藝非常復雜的一個步驟，其過程就是使用一定波長的光在感光層中刻出相應的刻痕，由此改變該處材料的化學特性。這項技術對於所用光的波長要求極為嚴格，需要使用短波長的紫外線和大曲率的透鏡，刻蝕過程還會受到晶圓上的污點的影響。每一步刻蝕都是一個復雜而精細的過程，設計每一步過程的所需要的數據量都可以用10GB的單位來計量，而且制造每塊處理器所需要的刻蝕步驟都超過20步。制作工藝對於光刻蝕的影響十分巨大，這也就是CPU制造商瘋狂追求制作工藝的最終原因。

　　2.何謂45納米制作工藝

　　我們通常所說的CPU納米制作工藝並非是加工生產線，實際上指的是一種工藝尺寸，代表在一塊硅晶圓片上集成所數以萬計的晶體管之間的連線寬度。按技術述語來說，也就是指芯片上最基本功能單元門電路和門電路間連線的寬度。以90納米制造工藝為例，此時門電路間的連線寬度為90納米。我們知道，1微米相當於1/60頭發絲大小，經過計算我們可以算出，0.045微米(45納米)相當於1/1333頭發絲大小。可別小看這1/1333頭發絲大小，這微小的連線寬度決定了CPU的實際性能，CPU生產廠商為此不遺餘力地減小晶體管間的連線寬度，以提高在單位面積上所集成的晶體管數量。采用45納米制造工藝之後，與65納米工藝相比，絕對不是簡單地令連線寬度減少了20納米，而是芯片制造工藝上的一個質的飛躍。

Intel展示45納米工藝的晶元

　　如今最新的45納米制造工藝可以在不增加芯片體積的前提下，在相同體積內集成多將近一倍的晶體管，使芯片的功能得到擴展。毫無疑問，信位寬度越小，晶體管的極限工作能力就越大，這也意味著更加出色的性能。對於Core架構的Intel處理器而言，更高的主頻有著很大的意義，而且新的制作工藝令集成更多緩存變得輕而易舉。下表是歷代微處理器與制作工藝發展之間的關系：

首次采用0.35微米制作工藝的Pentium讓人記憶猶新

　　3.第三代單軸應變硅隧道

　　此次Intel在啟用45納米制作工藝時還引入了極為重要的改進型SOI變形硅技術，也就是第三代單軸應變硅隧道，這對於更好地改善電氣性能有著極大的幫助。CPU所集成的晶體管是一個小開關，決定了電流的通與斷，而在現實世界中，我們無法完全地控制電流，必須借助一些附加技術。SOI(Silicon-on-insulator，絕緣體硅片)就是為了防止泄漏電流和停止電流活動而設計的，變形硅則剛好相反，是為了驅動電流流動而設計的。事實上，SOI與變形硅技術總是需要同時使用。

　　第三代單軸應變硅隧道將待變形硅片放在一種特殊的硅鍺底基上，這種硅鍺底基的原子間距離比待變形硅片原子間距離大，受底基原子作用，硅片中的原子也將向外運動，彼此間拉開距離，從而減少對電流的阻力。SOI變形硅有效地擴展了晶體管通道區域，把硅直接放到底層的頂部，可以預留更多的空間，更好地擴展到底層上，使上面的硅原子直接和低層相匹配，延伸硅元素到合適的通道中。硅原子有更多的空間後，電阻減少了，增加了電流通過的數量。最終結果是使電流流動強度提高了10?15%，或者使當前的電流更加順暢，從而提高了晶體管的運行速度，提高了芯片的工作頻率。

　　4.45納米工藝的巨大價值

　　可以很明顯地看出來，每次提高制作工藝都能夠讓主頻大幅度提昇，而二級緩存的容量也幾乎是以倍增的方式來回報更先進的制作工藝。提昇制作工藝意味著巨額的資金投入，改造一條芯片生產線往往需要花費數十億美金，如果沒有龐大的財力，將無法完成這樣的任務。然而任何產業都是高投入帶來高回報，一旦徹底掌握先進的制作工藝，CPU等產品的制造成本也能下降，反而帶來更大的盈利空間。對於同樣晶體管規模的半導體芯片，新工藝意味著更小的核心面積，而芯片的制造成本與核心面積的平方基本成正比。

　　幾乎在每次制作工藝的改進過程中，Inte都領先了一步，IBM、摩托羅拉、AMD、TI、富士通、臺積電、聯電等半導體企業總是落後半拍。目前Intel已經成功地將45納米應用於現實產品，而AMD和臺積電等其它廠商都僅僅停留在『紙上談兵』的層面。對於AMD而言，目前僅僅剛剛過渡到65納米制作工藝，45納米的暫緩使用將會再次使之無法贏得與Intel處理器之間的主頻大戰，從而令性能比拼處於相對被動的局面。然而目前緊盯65納米制作工藝的不僅僅是Intel，包括AMD、VIA、摩托羅拉等CPU制造商也在不斷努力，富士通、臺積電、聯電等專業代工廠商更是十分努力。從當前的發展趨勢來看，第一款65納米處理器將很可能出現在2007年年底或者2008年年初，而AMD則需要到2008年第二季度纔會跟進。