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2007-11-02 04:31    文章来源：网界网

不断进步的CPU生产工艺

作者：pcself

4、晶体管的革命，Intel VS AMD

传统的晶体管架构已经在微电子学使用了将近40年：经典的晶体管包括1个可以控制的电极和在它下面的电流顺序通过的另外两个电极。就这样，晶体管架构呈现出一种二维的状态。

（1）Intel的三门晶体管
 
Intel在90年代末提出了新一代晶体管架构——三门晶体管。因为集成了众多的晶体管，同时还有着多重的门和通道，因此在微电子学领域，CPU被定义为一种三维架构。三门晶体管就是在单个晶体管内集成三个通道。

三门晶体管就是在单个晶体管内集成三个通道。从微观上看，三门晶体管的门(gate)和发射器(emitter)和收集器被设置在了普通晶圆的表面，并且他们之间相互交叉。这样就构成了一种有趣的结构：门电子束的截面是一个矩形，顶端和两侧都是门电极，这样一来，三门晶体管就像是反转的传统晶体管树立在了晶圆上。

传统的晶体管架构呈现是一种二维的状态，包括1个可以控制的电极和在它下面的电流顺序通过的另外两个电极。普通晶体管只在顶端有一个门电极，也就需要更多的时间在通道上切换充电状态以改变晶体管的开光状态，同时也需要更高的电压。

而通过三门晶体管技术，理论上只需要有几束相同的电波，我们就够通过使用极限的电压打开晶体管，几乎同时门会被出现在所有电波上的电流所阻断。所以通过晶体管的总共电流等于每个交叉点的电流的和。假设我们有6个输出，其中三个发射器，三个接收器，那我们可以得到与普通晶体管相同的电流，但相同情况下所需要输入的电压量却要低3倍。或者相同的电压可以驱动3倍于以前的电流，总体效率将提高20%，这便是三门晶体管的魅力所在。而且三门晶体管的高效性降低了对通道长度的要求，可以大大降低对生产技术的要求。不过这项技术目前还停留在实验室阶段，还没有在Prescott上应用，有望在2010年前开始实际应用。

当然，制造这样小的晶体管当然需要更为先进的蚀刻技术来支持。目前Intel仍在使用旧的248纳米设备来制造90纳米的芯片，当然有些关键部位是由193纳米设备完成的(大约占20％)。在完成了向193纳米设备的过渡之后，Intel就可以轻松一下了。这些设备可以一直用到65纳米晶体管芯片的生产。

在此之后，EUV(Extreme Ultraviolet，极端远紫外光)光刻技术将开始发挥。EUV与传统的紫外线蚀刻技术是一样的，都是将激光通过掩膜，把掩膜上的电路图转移动晶圆之上，不过EUV设备使用的是134埃波长的激光，采用部分波长极短的电磁频谱，因此能实现更小的蚀刻尺寸。Intel已在2005年开始使用EUV技术，同时开始45纳米制程的芯片生产了。

（2）AMD的双门晶体管

AMD也在考虑多门晶体管，特别是双门的，这也和Intel喜爱的三门晶体管不同，没有上方的控制电极。AMD的这种鳍式场效晶体管(Fin Field-Effect Transistor，FINFET)也就比Intel的更高一些，同时发送/接受电子束也要窄一些。该晶体管的宽度大约为门极宽度的1/3，这在光刻技术可以引起一些问题，同时也是少数的“小”而不“好”的情况之一。不过不管怎样，FINFET和其他的三维晶体管一样，相对于传统的晶体管都有很多的优势，特别是它缩小了通道长度。总的说来，AMD在手上有足够的筹码来回应Intel的1000GHz晶体管和三维晶体管。目前AMD已离开摩托罗拉，转而和IBM加强合作，HiP8成为AMD和摩托罗拉合作的最后一项技术。

（3）新型封装，势在必行

有了如此先进的制造技术，自然需要坚实的基础。好马配好鞍，面对日新月异的生产工艺，新型封装势在必行。BBUL（Bumpless Build-Up Layer，无凸块增层）封装技术早在2001年10月份就对外披露，当时Intel宣称这项技术为“未来微处理器设计”，准备在5到6年之内投入使用。它将会成为未来65nm、45nm时代最流行的封装技术。据称，这项封装技术可以让CPU在未来6年的发展道路上高枕无忧，因为它能使CPU内集成的晶体管数量达到10亿个，并且在高达20GHz的主频下运行。

传统的FC-PGA工艺是：CPU核心与基板彼此分开制造，封装时将CPU核心放在基板中央的预定位置上，并通过微细锡球（tiny solder balls）将它们焊接在一起，CPU核心自然就位于封装的最上方。

FC-PGA和BBUL

BBUL如上图。它通过取消这种中间的微细锡球，将裸晶(Die)直接放入封装基质中，从而把组成一个处理器（诸如Pentium 4）的6～7个金属层减少大约3层，使处理器的厚度达到只有1mm。Intel声称，利用这项新技术，基本上可以把一个封装包看作是围绕着硅核“生长”起来的，避免了损害芯片效率的焊接过程以及影响硅核性能的溶化步骤。由于数据的必经之路缩短了，新的封装技术会帮助提高芯片的整体运算速度和性能。BBUL封装的结构中，CPU内核看起来就被深埋在内部，这样就避免了繁杂的焊接过程以及影响硅核性能的熔化步骤，让CPU核心可以更直接、更贴合地与基板连接。

BBUL封装的关键在于芯片直接放入封装中，这样处理器的高度被大大降低，封装也轻了不少，对于移动设备也更加适用。BBUL增强了在单一封装中设计多个硅元件的能力。与目前FC-PGA的一体化封装方式不同，BBUL技术可以将两个CPU核分别封装，这样可以避免在生产时即使只有一个核出现问题就要扔掉整个处理器的窘境，对于更多核心的处理器来讲，节约的成本将是可观的。尽管在未来4～5年内BBUL技术才有可能真正实用化，但其为处理器设计和制造所带来的影响将极其深远。

还有值得重视的一个优点：由于省去了焊接的Bump（电极），使硅核和封装基层一次生成，在降低能耗的同时提高了处理器的稳定性。初步估计，BBUL将比目前的封装方式降低25%的能耗，进而可减少高频产生的热量。

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责任编辑：张鑫

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