从mnm英特尔CPU制程发展史

1、0从m-nm英特尔CPU制程发展史从 10 叩-45nm 英特尔 CPU 制程发展史(2009-06-13 205433)转载从 10 叩-45nm 英特尔 CPU 制程发展史 来源工作站之家作者工作站之家新闻组时间 2008-09-09 180605 收藏本文 【大中小】自 1947 年晶体管发明迄今 , 科技进步的速度惊人 , 催生了功能更为先进强大 , 又能兼顾成本效益和耗电量的产品。虽然科技进展迅速 , 但晶体管产生的废热和漏 电, 仍是缩小设计及延续摩尔定律 (Moore s Law) 的最大障碍 , 因此业界必须以新 材料取代过去 40年来制作晶体管的材料。翻查晶体管历史 ,200

2、7 年正好是晶体管诞生 60 周年, 首颗晶体管出现于 1947 年 12月 16 日, 贝尔实验室 (Bell Labs) 的 William Shockley 、John Bardeen 和 Walter Brattain成功制作第一个晶体管 , 改变了人类的历史。那么 , 在这 60 周年 的今天,lntel 公司将首次推出 45nm 工艺处理器。首先我们来了解一下摩尔定律 , 是由 Intel 的创始人戈登摩尔 (Gordon Moore) 通过长期的对比，研究后发现:CPU 中的部件(我们现在所说的晶体管)在不断增加，其价格也在不断下降。“随着单位成本的降低以及单个集成电路集成的晶体

3、管数量 的增加 ; 到 1975年, 从经济学来分析 , 单个集成电路应该集成 65000 个晶体 管。” In tel 此后几年的发展都被摩尔提前算在了纸上，使人们大为惊奇，“摩尔定 律”也名声大振。为了让人们更直观地了解摩尔定律 , 摩尔及其同事总结出一句极 为精练的公式“集成电路所包含的晶体管每 18 个月就会翻一番”摩尔定律之父戈登摩尔之后的芯片内集成的晶体管数量也证实了他的这句话, 并且发展速度还在加快。从芯片制造工艺来看,在 1965 年推出的 10 微米（卩 m）处理器后，经历了 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 微米的制造工艺将是目前 CPU 勺最高工艺。以下 我们就来简单的见证一下 Intel CPU 工艺制程一路走来的风雨历程。奇怪的是每当新一代 CPU可世时,人们都会热衷于讨论它采用了多少微米或纳 米制程。的确 , 每一次制程（或制造工艺 ）的进步都会对芯片制造业产生举足轻重的 影响, 并演绎一个个经典的传奇。1 965 年,按照摩尔老先生在文章中提出 , 芯片上集成的晶体管数量大约每 18 个月就将翻一番。这意味着 , 只有不断提高工艺 , 增加晶体管集成度 , 才能提升芯片 主频和性能。就这样,在 1971 年,In tel

5、发布了第一个微处理器 4004。4004 采用 10 微米工艺生产,仅包含 2300 多个晶体管,时钟频率为 108KHz 由于功能较弱,计算 速度慢,4004 只能用在Busicom 计算器上。4004 处理器全家福接下来到了 1974 年,主频为 2MHZ 勺 8 位微处理器 8080 问世,它采用 6 微米工艺，集成了 6000 个晶体管。由于它采用了 NMOS（N 勾道 MOS电路,因此运算速度比 8008 快 10 倍，后者采用了 PMOS（P 勾道 MOS 电路。之后，在1978 年 Intel 又陆续推出了 8086 处理器, 这时工艺已经缩减为 3 微米工艺, 含 2.9 万个

6、晶体管，频率有 4.77MHz 8MHz 和 10MHzIntel 486 处理器芯片内集成了 125 万个晶体管直到了 1983 年,Intel 首次推出了新型处理器 286,它含有 13.4 万个晶体管，频率为 6MHz 8MHz 10MHz 和 12.5MHz.随后 1985 年,推出了 386 处理器,含 27.5 万个晶体管,频率为 16 33MHz,具备初级多任务处理能力)等处理器。1989年,In tel 发布了 486 处理器。这款经过 4 年开发和 3 亿美金投入的处理器首次突 破了 100万个晶体管大关,主频也从 25MHz 逐步提高到 33MHz 40MHz 50MHz

7、66MHz 此时,处理器工艺已经全面采用了 1 微米工艺,并且在芯片内集成了 125 万个 晶体管 , 这时芯片内的晶体管数量已经超过了 Intel 4004 处理器内晶体管数量的五 百倍。Pentium 让 CPU 工艺从微米时代跨入了纳米随后的一段时期里 ,CPU 制程开始向更高水平迈进。直到 1993 年, 采用 800 纳 米的奔腾(Pentium)的出世，让 CPU 全面从微米时代跨入了纳米时代。奔腾含有310万个晶体管 , 代表型号有 Pentium 60(60MHz) 和 Pentium 66(66MHz) 。此后 ,Intel 又推出了奔腾 75MHz120MH 制造工艺则提高

8、到 500 纳米，此后 CPU 发展直接就跳 转至350nm 工艺时代。1995 年后，半导体行业已普遍采用 0.35 微米(35Onm)工艺进行主流芯片的生 产。从 Pe ntium 133 开始,In tel 也开始采用 0.35 微米制程，新工艺的应用使得芯 片的尺寸不断缩小 , 集成度不断提高 , 功耗降低 , 性能也相应提高了。采用 0.35 微米工艺的产品还有 Intel 的 Pentium MMX Pentium Pro 和早期 Pentiumn(Klamath 核心)及赛扬(Covington 核心)等产品。0.35 微米工艺的经典产品 :Pentium MMXPentium

9、MMX 多能奔腾,P55C)是最典型的产品，它是第一个拥有 MMX(MultiMedia Extensions, 多媒体扩展指令集 , 是 Intel 于 1996 年发明的一项多媒体指令 增强技术,包括 57 条多媒体指令)技术的处理器，拥有 16KB 数据 L1 Cache,16KB 指 令 L1 Cache,具备 450 万个晶体管，功耗 17W 在 0.35 微米工艺的帮助下，工作频率 突破了 200MHz那么,随着 CPU 生能及频率的增加,原有的制造工艺已无法满足要求。因此,0.25 微米工艺便应运而生。与 0.35 微米工艺相比 , 使用 0.25 微米制程可使处 理器的运算速度

10、提升一倍以上 , 且工作电压更低 , 功耗更少。同时 , 芯片的封装面积 更小、成本更低、功能也更强。采用 0.25 微米工艺的 In tel 处理器主要有 Pen tiumn（Deschutes 核心）、Pentium 川（Katmai、Confidential 核心）及赛扬（Mendicino 核心）等。老 PIII 的照片新封装的 PIII 照片最具代表性的产品当数 Katmai 及 Confidential 核心的 Pentium 川,采用0.25 微米制造工艺 ,集成 900 万个晶体管,支持包含 70 条新指令的 SSE 旨令集,早期版本采用Slot 1 接口。其中 Katmai

11、核心的产品运行在 100MHz 外频下,主频为 450MHz 500MHz550MHz 这时的 CPU 外型有些现在最新 CPU 的雏形。此前, 芯片制造工艺的更新换代是以 3 年为一周期 , 但 Intel 率先将此周期缩 短为 2年。我们可以从发现 ,Intel 公司在 1995 年实现了 0.35 微米工艺量产 ,1997 年便已推出0.25 微米产品 , 1999 年又推出了 0.18 微米工艺 , 而 2001 年则实现 0.13 微米产品的量产。虽然 0.18 微米（180nm）工艺不如 0.13 微米工艺那么锋芒毕 露 , 但也不容忽视。采用 0.18 微米工艺的处理器主要有 P

12、entium 川（Coppermine 核心）、Pentium 4（Willamette 核心）等产品。其中 Coppermine（铜矿）核心的 Pentium 川集成了 950 万个晶体管,主频为 500MHz 1GHz 核心电压 1.65V,制程从 0.25 微米转向 0.18 微 米,片内集成 256KB 全速二级缓存,系统总线频率有 100MHz 和 133MHz 两种。P4 处理器的来临将工艺缩小为 0.18 微米当然, 采用 0.18 微米工艺的处理器还有 Pentium 4 处理器的开山之作性 能平平的 Willamette,它集成了 4200 万个晶体管,主频为 1.3GHz2

13、GHz 采用 0.18 微米铝布线工艺,二级缓存为 256KB,外频为 100MHz,FSB 前端总线)为 400MHz 核心 电压为1.75v,Willamette 核心的产品有 Socket 423478 两种接口。随着时间的推移，正如摩尔定律所说，制造工艺的进步无可阻挡，CPU 在经历了180nm 工艺后,在 2001 年直接杀入了 130nm 时代。与 0.18 微米工艺相比,新的 0.13 微米(130nm)工艺的氧化层可减少 30%上,工作电压可达到更低,芯片面积更小。 每块芯片的成本将因此大幅下滑 , 这对提升处理器显示芯片的价格竞争力大有裨益 , 芯片使用 0.13微米取代 0

14、.18 微米工艺便势如破竹 , 成为了芯片制造界历史上一次 重大的变革。0.13 微米工艺孕育了多款主流的处理器 , 其中 Intel 主要有 Tualatin 系列 (Pentium川-S 及 Celeron 川)、Northwood 系列(Pentium 4 ABC、Celeron 4)等 产品。在 0.13 微米工艺的帮助下 ,Intel 推出了性能非常出色的 Tualatin( 图拉丁)Pentium 川。作为 Intel 在 Socket 370 架构上的“绝唱” ,Tualatin 核心处理 器的电压降至 1.5V 左右,主频范围在 1GHz 1.4GHz 二级缓存有 512KB(

15、Pentium 川-S)和256KB(Pentium 川和赛扬)，可超频性很强。凭借先进的制程,Tualatin 核 心 Pentium 川的性能甚至超过了 0.18 微米的 Pentium 4。Pentium 4C 也是 0.13 微米时代的强者,其最大特点是支持 800MHzt端总线,集成了 5500 万个晶体管,支 持 HT 超线程技术 , 其较低的功耗和较高的性价比曾一度让人怀疑 Pentium 4E(Prescott) 是否有必要推出。但最后 Intel 还是给出了答案, 在 2004年推出核心为 Prescott 的 Pentium 4E 处理器, 在此次推出的 Pentium4E

16、 处理器中，一个显著的特点就工艺再次改进为 90nm 集成了 1 亿个晶体 管。其中首批 90nm 处理器型号为 3.40E GHz、3.20E GHz、3.00E GHz、2.80E GHz P4( “E”后缀商标)支持超线程技术,800MHz 前端总线和 1MBT 级缓存；但工艺的 提升, 没有使得功耗降低 , 主频的提升 , 使得 Prescott 功耗开始走高。此时,Intel 推出 90nm 处理器后,并且在最短的时间内宣布全面进入 90nm 时 代。而AMD 在工艺制程方面比英特尔显然慢了一大步,因此，在 2004 年,AMD 和英特 尔在制造工艺上的距离已经拉开。但随着芯片中晶体

17、管数量增加 , 原本仅数个原子层厚的二氧化硅绝缘层会变得 更薄进而导致泄漏更多电流 , 随后泄漏的电流又增加了芯片额外的功耗。此时 , 由于受“泄漏电流”的影响 , 导致后续产品频率无法提升 , 功耗高居不 下。为了从当前的窘境中逃出来,Intel 迅速部署 65nm 产品计划。迅速在 2005 年 推出了Pentium Extreme Edition 955, 标志着 Intel 进入一个新的阶段 ,65nm 时代 的来临。Pentium Extreme Edition 955处理器基于 65nm 工艺,是整个 Pentium D 900系列双核心产品中最高端的一款。Pentium Extr

18、eme Edition 955尽管新品均采用 65nm 工艺制造，但其 TDP(Thermal Design Power)依然为130W 工作电压需要从 1.2v 到 1.375V,机箱内部温度不能够超过 68.6 度。不过,Preslers 无论在制造工艺还是架构变革方面都有了非常大改进，包括独立的双 L2Cache 设计,以及制造工艺较 90nm 产品有了非常大的改观。虽然这一代产品晶体管材质较上一代并没有太大变化 , 但是在漏电方面的改进 还是非常显著的，起初在 90nm 工艺下采用的应变硅技术，在新一代 65nm 处理器上得 到进一步发展，虽然绝缘层还是停留在 1.2nm,但是晶体管扭

19、曲提升了 15%这样的结 果就是漏电减小了 4 分之一 , 这样也使的晶体管的响应速度在没有功耗提升的情况 下提升了近30%,整体表现还是不错的。目前 In tel 两年一跟换工艺,在 65nm 工艺处理器全面上市后,In tel 再次提升 了 CPU的制作工艺,将在本月 16 号推出其首款 45nm Penryn 处理器。全新 45nm Penryn 家族共有 7 名成员, 包括双核心桌面处理器 Wolfdate 、四核心桌面处理器 Yorkfield、双核心行动处理器 Penryn、双核心 Xeon DP 处理器 Wolfdate DP、四 核心 Xeon DP 处理器Harpertown

20、、双核心 Xeon MF 处理器 Dunnington DC 及四核 心 Xeon MP 处理器Dunnington QC。Intel 首款 45nm Penryn 处理器 QX9650Penryn 双核心版本内建 4.1 亿个晶体管 , 四核心则有 8.2 亿个晶体管 , 微架 构经强化后 , 在相同频率下较上代 Core 产品拥有更高性能 , 同时 L 2 Cache 容量亦 提升 50%,明显提高数据读取执行的命中率。此外 , 亦加入 47 条全新 Intel SSE4 指令, 提高 媒体性能和实现高性能运算应用。另外, 由于深知漏电问题将会阻碍芯片和个人计算机的设计、大小、耗电量、噪声与成本开发，因此，新一代 Penryn 处理器家族将采用全新材料制作的 45nm 晶体 管绝缘层 (insulating wall) 和开关闸极 (switching gate), 减低晶体管漏电 (electrical leakage)情况。为能达到大幅降低漏电情形且可同时提升效能目标 ,Intel 采用被称为 High-k 的新材料制作晶体管闸极电介质 (transistor gate dielectric),而晶体管闸极的电极 (transistor gate electrode)也将搭配采用全新金属材料组合 , 增加驱动电流20%以上,