芯片制造进入90纳米时代

芯片制造进入90纳米时代

     (华强电子世界网讯) 各大厂商在90纳米工艺上的动作似乎标志着芯片制造进入了90纳米时代，但也意味着芯片制造将面临更多难题。
    
    　　英特尔公司已经在今年二月推出了四款用90纳米工艺批量生产的新型奔腾4处理器（先前代号为“Prescott”）。有消息称，五月上旬该公司将继续推出首批采用90纳米制程的迅驰平台奔腾M处理器(先前代号“Dothan”)，六月再推出首款90纳米赛扬处理器。90纳米工艺的启动标志着处理器已经跨入了“100纳米至0.1纳米”尺度范围内的“纳米时代”，随之而来的将会是英特尔未来几年在芯片工艺上“两年一越”的计划。而这一切皆源于人们对芯片性能的无止境渴求。
    
    　　

    
    　　人们对处理器的主频等性能似乎一直保持着极大兴趣。这促使在芯片诞生以来的40多年中，芯片产业界不断地缩小芯片工艺尺寸、不断地扩大硅晶圆尺寸来提高集成的晶体管数量，从而提升芯片的性能。
    
    　　为了增加单位面积上集成的晶体管，多年前就缩小至“微米”级别的芯片工艺已经远远超出了普通用户所能触及的技术范畴。这是一个有自己独特“语言”的领域，因为大多数人觉得小到1毫米或是一粒沙子已经是小得可以了，1微米只相当于头发丝的六十分之一大小，但对于纳米（一纳米为千分之一微米）而言却仅仅是个起点。研究者们用“纳米”直接命名制造工艺， 因此“多少纳米”在这里指的是在一块硅晶圆片上集成的数以万计的晶体管之间的连线宽度。
    
    　　尽管实验室内低于100纳米的芯片工艺在两年以前甚至更早的时候就已经出现，但量产才是芯片产业进入纳米时代的标志。不过，对比从全新的角度思考问题的“研究电子、原子和分子运动规律和特性”的纳米技术，纳米级的芯片制造工艺实际只是晶体管间的连线宽度的减小。
    
    　　尽管如此，在芯片制造领域90纳米与当前最流行的130纳米工艺之间的差别并不仅仅是数字上的差别。英特尔在90纳米工艺中引入了应变硅(Strained Silicon)、高速铜互连以及新型低介电质(Low-K)绝缘材料等尖端技术，同时也带来了更高性能、更低功耗的晶体管。其中，颇为关键的低介电质材料能提高芯片中的信号速度和减少芯片功耗，甚至被认为是采用90纳米技术的芯片厂商能否生存的最大挑战。
    
    　　应变硅技术也是90纳米工艺中最主要的特色技术，英特尔通过这种材料影响电流以提高晶体管的运行速度、提高芯片的工作频率。不过，另一领头羊德州仪器则希望避免采用绝缘硅或应变硅晶。
    
    　　芯片的连线宽度缩小至90纳米的效果是，晶体管本身的宽度能降至50纳米使其工作频率加快。同时，芯片的体积比原来的130纳米工艺下的芯片减小一半，这就意味着功耗和热量的降低。也即是说，在不增加芯片体积的前提下能在相同体积的晶圆上集成将近两倍数量的晶体管，芯片的功能自然得以扩展。
    
    　　正因为如此，90纳米芯片制造工艺已经成为全球各主要芯片制造商追逐的重心。目前，英特尔和德州仪器等芯片制造商在生产芯片过程中已经普遍使用90纳米技术。IBM因其90纳米工艺上的领先技术在芯片代工领域多次击败对手。而AMD采用90纳米工艺的处理器也将有可能在今年年底或者明年上市。包括IBM、英特尔、德州仪器、东芝、索尼、AMD、台积电等在内的厂商，除了在90纳米处理器或内存、闪存芯片上先后出货，均已经开始独立或者联合研发65纳米乃至更小尺寸的制造工艺。
    
    　　
    
    　　从130纳米到90纳米，从90纳米到65纳米，德州仪器、IBM、英特尔等领先厂商都把大规模生产65纳米芯片的日期定在了2005年。也就是说，我们现在就可以开始期待观赏明年厂商们抢夺65纳米工艺先机的竞争了。而英特尔在最近一次北京举行的IDF（英特尔信息技术峰会）上又一次强调了下至22纳米工艺的时间表：2007年45纳米，2009年32纳米工艺的计划，还有2011年的22纳米工艺。这与英特尔CEO贝瑞特的观点相符，“摩尔定律将在接下来的15～20年继续有效”。
    
    　　尽管上世纪末种种预言“摩尔定律”已经失灵的论调此起彼伏，但从跨入纳米级别的芯片制造工艺的技术进展和规划来看，这个定律并未受到极大的挑战，纳米级芯片工艺让“摩尔定律”至少在未来七年继续适用。
    
    　　然而，确实只能用“未受到极大挑战”来描述“摩尔定律”这个关于半导体性能的“每18个月晶体管增加2倍”的预测。尽管实验室的芯片工艺保持前行，但从0.18微米到0.13微米的量产转换时间来看（时间间隔已经达到了3至4年），这显然比“摩尔定律”规范的时间增加不少。而台积电董事长张忠谋曾分析指出，“从0.13微米至90纳米的量产，其间可能需要更长时间。”就目前而言，90纳米技术还谈不上真正被市场大量应用。
    
    　　除了少数领先厂商，整个芯片制造领域跨入新工艺的速度都开始趋缓，从研究者的技术规划到实际量产的时间差也越来越大，英特尔推出Prescott也曾经有过拖延。分析人士指出，实现这些新工艺的成本越来越高昂，除了几个巨头，更多的厂商难于承担。
    
    　　从技术层面来看，尽管各芯片厂商对于未来在纳米级芯片制造工艺上均投入巨资，且雄心勃勃，但缩小芯片工艺尺寸并不像“做小一号”的产品那么轻松，当事物小到一定程度，也就意味着“难以控制”。
    
    　　在今年2月的“国际固态电路会议”（ISSCC）上，IBM、英特尔等厂商都表现出了过渡到90纳米工艺后对电流泄露的担心。英特尔的技术策略总监Paolo Gargini曾用在小路上碰到瀑布来比喻这个现象，“如果不知道瀑布有多深，大家就会绕道而行；如果水幕只是薄薄一层，大家就会直接穿越它。”这个问题会随着晶体管间连线宽度的继续减小而变得越来越严重。
    
    　　渗漏电流带来的一个副作用是热量的散发，而过多的热量能够损坏系统，这就需要更昂贵的冷却设备。尽管英特尔最新的基于90纳米工艺的奔腾4处理器已经实现量产，英特尔公司制造集团副总裁约瑟夫仍表示，该处理器约30%能耗都以电流泄露的方式浪费了。“这一比例仍在英特尔公司设计人员的预期之内，但如果不密切关注这一问题，情况会变得更糟糕。”
    
    　　另外，纳米级工艺所需的新一代低介电质材料特性仍难掌握，尽管各厂商都在选用不同的材料和解决方案。同时，用于90纳米及更小尺寸的光刻工艺自然会因为线宽的减小而难度加大，美国普林斯顿大学工程学教授Stephen Chou就此问题提出了纳米蚀刻法，期望把今后芯片的加工准确度精确到10纳米的标准。此外，美国乔治亚技术学院微电子研究中心主任James Meindl在2004年的国际物理设计论坛上还指出，在100纳米接点以下，芯片各部件之间的延迟反应时间差距增大，“互连问题”正威胁着下一代芯片的时序、功率和成本。
    
    　　即便这些问题都能在未来的日子里被一一解决，但更重要的将是22纳米以后会怎样？包括英特尔的研究人员也表示，芯片制造商在缩小晶体管的技术上将遇到瓶颈，七年以后（也就是英特尔计划实现22纳米工艺的2011年），芯片制造商就会碰到22纳米的关卡，难以再往下发展，因为电流的干扰会变得更难回避。
    
    　　1纳米以下还有0.1纳米，未来还会有“摩尔定律”吗？也许，如许多人期望的一样，“真正的”纳米技术将在芯片产业上发挥巨大作用。这实际上意味着晶体管材料的彻底改变，选用所谓“纳米材料”—例如目前正处于研究中的碳纳米管（Carbon Nanotubes）以及硅纳米线（Silicon Nanowires）。IBM已于2001年在实验中用前者成功替代了传统的晶体管，如何集成此种“晶体管”以构成微处理的研究正在进行中；“纳米线”的材料则可用于制作未来的半导体，英特尔已经向Nanosys公司投资进行研发。
    
    　　如果“摩尔定律”能如此继续，那也算胜利了。
    
    

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