英特爾于本周三(5月4日)推出了22納米制程,基本符合此前的外界預(yù)期,但還是有出乎意料之處。英特爾的22納米制程基于其立體晶體管設(shè)計(jì),即三柵極結(jié)構(gòu)。英特爾2002年率先宣布三柵極晶體管。這種晶體管將構(gòu)成其22納米節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)。
英特爾還展示了代號(hào)為Ivy Bridge的處理器,這是世界上第一款22納米微處理器?;贗vy Bridge的酷睿系列處理器,將是第一種大批量生產(chǎn)的三柵極晶體管芯片。Ivy Bridge將在今年底前做好大批量投產(chǎn)的準(zhǔn)備。
但英特爾并未宣布22納米移動(dòng)處理器,而這種處理器可能幫助其抵擋來(lái)自ARM陣營(yíng)的競(jìng)爭(zhēng)威脅。
英特爾的22納米制程還將基于其第三代HKMG,并將采用銅互連、低k、應(yīng)變硅等技術(shù)。另外與32納米類(lèi)似,22納米制程仍將繼續(xù)使用193納米沉浸式光刻技術(shù)。
英特爾沒(méi)有披露關(guān)于低k互連技術(shù)的任何細(xì)節(jié)。英特爾堅(jiān)稱(chēng),它不會(huì)采用絕緣硅(SOI)技術(shù)。據(jù)英特爾,SOI晶圓將導(dǎo)致總體工藝成本上升10%左右。
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多門(mén)晶體管競(jìng)賽
3-D三柵極晶體管實(shí)現(xiàn)了晶體管突破。傳統(tǒng)“扁平的”2-D平面柵極被超級(jí)纖薄的、從硅基體垂直豎起的3-D硅鰭狀物所代替。電流控制是通過(guò)在鰭狀物三面的每一面安裝一個(gè)柵極而實(shí)現(xiàn)的(兩側(cè)和頂部各有一個(gè)柵極),而不是像2-D平面晶體管那樣,只在頂部有一個(gè)柵極。更多控制可以使晶體管在“開(kāi)”的狀態(tài)下讓盡可能多的電流通過(guò)(高性能),而在“關(guān)”的狀態(tài)下盡可能讓電流接近零(低能耗),同時(shí)還能在兩種狀態(tài)之間迅速切換(這也是為了達(dá)到高性能)。
就像摩天大樓通過(guò)向天空發(fā)展而使得城市規(guī)劃者優(yōu)化可用空間一樣,英特爾的3-D三柵極晶體管結(jié)構(gòu)提供了一種管理晶體管密度的方式。由于這些鰭狀物本身是垂直的,晶體管也能更緊密地封裝起來(lái)——這是摩爾定律追求的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵點(diǎn)所在。未來(lái),設(shè)計(jì)師還可以不斷增加鰭狀物的高度,從而獲得更高的性能和能效。
“在多年的探索中,我們已經(jīng)看到晶體管尺寸縮小所面臨的極限,”摩爾指出:“今天這種在基本結(jié)構(gòu)層面上的改變,是一種真正的突破,它能夠讓摩爾定律以及創(chuàng)新的歷史步伐繼續(xù)保持活力。”
其它正在開(kāi)發(fā)多門(mén)晶體管結(jié)構(gòu)的領(lǐng)先芯片廠(chǎng)商包括,IBM的晶圓廠(chǎng)俱樂(lè)部、臺(tái)積電等。三柵極晶體管技術(shù)在英特爾以外被稱(chēng)為FinFET。臺(tái)積電計(jì)劃在14納米節(jié)點(diǎn)推出其首款FinFET。
英特爾高級(jí)研究員及工藝架構(gòu)與集成總監(jiān)Mark Bohr表示,無(wú)論如何,英特爾在多門(mén)晶體管競(jìng)賽中將至少“領(lǐng)先三年”。他說(shuō),三柵極技術(shù)可以做到14納米節(jié)點(diǎn),但他沒(méi)有談?wù)?2納米之后的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
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實(shí)現(xiàn)前所未有的能耗節(jié)省和性能提升
英特爾的3-D三柵極晶體管使芯片能夠在更低的電壓下運(yùn)行,并進(jìn)一步減少漏電量,與之前最先進(jìn)的晶體管相比,它能提供前所未有的更高性能和能效。這些能力讓芯片設(shè)計(jì)師可以根據(jù)應(yīng)用的需求靈活地選用低能耗或高性能晶體管。
與之前的32納米平面晶體管相比,22納米3-D三柵極晶體管在低電壓下將性能提高了37%。這一驚人的改進(jìn)意味著它們將是小型手持設(shè)備的理想選擇,這種設(shè)備要求晶體管在運(yùn)行時(shí)只用較少的電力進(jìn)行“開(kāi)關(guān)”操作。全新的晶體管只需消耗不到一半的電量,就能達(dá)到與32納米芯片中2-D平面晶體管一樣的性能。
英特爾表示,在低電壓條件下,22納米三柵極晶體管的性能可以比英特爾32納米平面晶體管最多提高37%。英特爾指出,這意味著其適用于小型手持設(shè)備,使這些設(shè)備在“開(kāi)關(guān)”過(guò)程中消耗更少的能量。換句話(huà)說(shuō),在性能相同的條件下,新型晶體管的功耗比32納米芯片上面的二維平面晶體管低50%。
Bohr表示,為了實(shí)現(xiàn)22納米節(jié)點(diǎn),英特爾必須多進(jìn)行幾次雙重圖形步驟。但整體來(lái)說(shuō),該公司將采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造設(shè)備,該工藝只會(huì)導(dǎo)致成本增加2-3%。
英特爾表示,其22納米制程的代號(hào)為1270,已開(kāi)始進(jìn)行生產(chǎn)。首批晶圓將出自俄勒岡州的D1D芯片廠(chǎng),而今年下半年晚些時(shí)候,位于亞利桑那的F32工廠(chǎng)將開(kāi)始量產(chǎn)。
去年英特爾同意充當(dāng)FPGA初創(chuàng)公司Achronix Semiconductor的代工服務(wù)提供商,讓業(yè)內(nèi)感到意外。據(jù)報(bào)導(dǎo),英特爾顯然與另一家新興的可編輯邏輯廠(chǎng)商Tabula達(dá)成了類(lèi)似協(xié)議。英特爾拒絕評(píng)論關(guān)于Tabula的上述報(bào)導(dǎo),稱(chēng)之為謠言。
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分析師稱(chēng)將加劇x86與ARM競(jìng)爭(zhēng)
周一(5月2日),Piper Jaffray的分析師認(rèn)為,英特爾正在爭(zhēng)取蘋(píng)果公司的代工業(yè)務(wù)。(相關(guān)閱讀:
蘋(píng)果-三星關(guān)系惡化, 英特爾欲從中得利)
分析師對(duì)于英特爾宣布22納米三柵極技術(shù)的感覺(jué)復(fù)雜。Doug Freedman of Gleacher& Co.的分析師Doug Freedman表示:“性能數(shù)據(jù)令人矚目?!?
“與平面技術(shù)相比,新技術(shù)只是導(dǎo)致成品晶圓成本增加2-3%,”他說(shuō),“三柵極可以帶來(lái)更低的漏電流(全耗盡晶體管)或更低的閾電壓。在低功率/低電壓運(yùn)行時(shí),這對(duì)于性能更為有利,因?yàn)殛P(guān)閉過(guò)程是影響總體功耗的關(guān)鍵?!比龞艠O技術(shù)產(chǎn)生硅‘fin’,在上面形成立體晶體管溝道和門(mén),比平面技術(shù)有更好的scaling factor,因此裸片尺寸方面的好處可能足以抵消其帶來(lái)的額外成本。
英特爾計(jì)劃把首款22納米芯片用于臺(tái)式電腦和服務(wù)器,但Freedman認(rèn)為,它應(yīng)該最先考慮另一個(gè)領(lǐng)域。他說(shuō):“為什么不先考慮移動(dòng)領(lǐng)域?”
Freedman表示:“x86產(chǎn)品將最先采用立體晶體管門(mén)技術(shù),這可能有助于抵消x86的架構(gòu)局限,從而在優(yōu)化低功率性能方面更好地與ARM競(jìng)爭(zhēng)。我們認(rèn)為這不會(huì)改變目前格局,但一定會(huì)加劇x86與ARM的競(jìng)爭(zhēng)?!?
“英特爾在超移動(dòng)與平板市場(chǎng)沒(méi)有全力以赴,而把這些產(chǎn)品擺在了服務(wù)器和筆記本/臺(tái)式產(chǎn)品的后面,”他說(shuō),“因此,該技術(shù)對(duì)手機(jī)和平板電腦市場(chǎng)的影響,最早要到2012年末才會(huì)看到。手機(jī)市場(chǎng)需要九個(gè)多月來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)并向市場(chǎng)推出產(chǎn)品。我們認(rèn)為,英特爾在2012年初以前不會(huì)向OEM廠(chǎng)商提供22納米手機(jī)芯片?!?
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移動(dòng)處理器缺席
“過(guò)去幾天,人們猜測(cè)英特爾將推出某種新型移動(dòng)處理器,立即破壞ARM的商業(yè)模式和英偉達(dá)的Tegra業(yè)務(wù)。并沒(méi)有此類(lèi)消息宣布,尤其是幾周前英特爾的移動(dòng)/平板/智能手機(jī)業(yè)務(wù)主管突然離職之后,”Raymond James & Associates Inc.的分析師Hans Mosesmann在報(bào)告中寫(xiě)道。
英特爾在移動(dòng)領(lǐng)域全速前進(jìn)。該公司最近宣布了代號(hào)為“Oak Trail”的處理器,它采用45納米工藝,面向移動(dòng)設(shè)備。英特爾新設(shè)的上網(wǎng)本與平板電腦部門(mén)副總裁Stephen Smith表示,OEM廠(chǎng)商不久將宣布基于該處理器的產(chǎn)品。
在Oak Trail之后,英特爾正在開(kāi)發(fā)基于32納米的兩款移動(dòng)處理器,包括Medfield和Clover Trail。Smith對(duì)《EE Times》表示,Medfield面向智能手機(jī)。他說(shuō),Clover Trail將讓英特爾在移動(dòng)領(lǐng)域處于前列。但他沒(méi)有透露任何基于22納米的產(chǎn)品。
Mosesmann表示,無(wú)論如何,“該公司認(rèn)為(三柵極晶體管)將允許摩爾定律從英特爾的22納米節(jié)點(diǎn)開(kāi)始繼續(xù)生效。這意味著單位晶體管的功耗和成本不斷下降,而性能不斷增強(qiáng)。”
“英特爾大約四年前宣布45納米gate last high-k metal gate晶體管,新的舉動(dòng)在意料之中,英特爾在制造工藝方面正在引領(lǐng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),”他說(shuō),“英特爾在三維晶體管方面并不孤獨(dú):GlobalFoundries也在開(kāi)發(fā)這種工藝;意法半導(dǎo)體,認(rèn)為對(duì)于低功耗不太理想;三星,正在評(píng)估立體與平面方式。我們認(rèn)為,英特爾可能領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手兩年左右?!?
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