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32纳米

32纳米制程技术是英特尔已经推出并即将大规模投入量产的新的处理器制造技术,它是在已经大获成功的45纳米制程技术的基础之上,采用第二代高k+金属栅极晶体管以及第四代应变硅技术,为下一代英特尔Nehalem微体系架构的32纳米版本-Westmere处理器的高性能表现奠定基础。

两年一新

英特尔是首家演示了可正常运行的32纳米处理器的公司,并自1989年起一直有条不紊地实现其称为“Tick-Tock模式”的新产品创新节奏,即每隔一年交替推出新一代的先进制程技术和处理器微体系架构。2005年的P1264 65纳米 (Core)已经基本被淘汰,2007年的P1266 45 纳米 (Penryn)早已全面普及,2009年就轮到P1268 32 纳米 (Westmere)了,之后就是2011年的P1270 22 纳米 (IVY Bridge)和2013年的P1272 16 纳米。

图1:英特尔的处理器工艺发展蓝图

而为了完成处理器产品向32nm技术的过渡,英特尔在未来两年内上马四座fab芯片生产厂。位于俄勒冈州的D1D芯片厂目前已经投入使用,同样位于俄勒冈州的D1C芯片厂将于2009年第四季度投入使用。2010年,英特尔将再建两座制造工厂。位于亚利桑那州的Fab 32生产厂和位于新墨西哥州的Fab 11X生产厂。

图2:32nm处理器将在这四个工厂生产

32纳米制成技术是基于45纳米技术的改良版本,总体归纳起来组要有以下三点。

1:32纳米制程技术的基础是第二代高k+金属栅极晶体管。英特尔对第一代高k+金属栅极晶体管进行了众多改进。在45纳米制程中,高k电介质的等效氧化层厚度为1.0纳米。而在32纳米制程中,由于在关键层上首次使用沉浸式光刻技术,所以此氧化层的厚度仅为0.9纳米,而栅极长度则缩短为30纳米。晶体管的栅极间距每两年缩小0.7倍32纳米制程采用了业内最紧凑的栅极间距( 第一代32nm技术将使112.5nm栅极间距 )。32纳米制程采用了与英特尔45纳米制程一样的置换金属栅极工艺流程,这样有利于英特尔充分利用现有的成功工艺。这些改进对于缩小集成电路(IC)尺寸、提高晶体管的性能至关重要。

采用高k+金属栅极晶体管的32纳米制程技术可以帮助设计人员同时优化电路的尺寸和性能。由于氧化层厚度减小,栅极长度缩短,晶体管的性能可以提高22-以上。这些晶体管的驱动电流和栅极长度创造了业内最佳纪录。

英特尔的第一颗32纳米 SRAM芯片在2007年9月就已经完成,晶体管数量超过19亿个,单元面积0.171平方微米,容量291Mb,运行速度4GHz,相对比而言,45nm时代处理器的单元面积是0.346平方微米(AMD的是0.370平方微米)。

图3:晶体管的栅极间距大幅缩小

2:32纳米技术针对漏电电流做出了优化。与45纳米制程相比,NMOS晶体管的漏电量减少5倍多,PMOS晶体管的漏电量则减少10倍以上。换句话讲,根据NMOS、PMOS晶体管泄漏电流和驱动电流的对比,32nm的能效相比45nm会有明显提高──要么能在同样的漏电率下提高晶体管速度(14-22-),要么能在同样的速度下降低漏电率(5-10倍)。因此由于上述改进,电路的尺寸和性能均可得到显著优化。

图4: 32纳米技术针对漏电电流做出了优化,提高驱动电流

3:32纳米还采用了第四代应变硅技术, 可将晶体管体积缩小大约30-,从而有利于提高晶体管的性能,同时也使得英特尔可以争取更多的时间和机会进行更多技术创新。

Westmere将是率先采用32纳米制程技术的处理器系列产品,这种处理器(基于极为成功的代号为的英特尔Nehalem微体系架构) 将使现有的微体系架构变得更小、更快、更节能,并且缩小的处理器内核尺寸也将促成将显卡集成至处理器的多芯片封装(MCP)。

图5: 首批32纳米代号Westmere的处理器

随着32纳米制程技术的快速发展,基于Westmere的英特尔处理器将会迅速进入笔记本电脑、台式机和服务器市场。根据客户机发展路线图,在支持8个软件线程的45纳米英特尔酷睿i7和英特尔酷睿i7至尊版四核处理器之后,英特尔将推出采用32纳米技术、代号为Gulftown的处理器,以满足高端台式机计算市场的需求。在高性能和主流台式机市场,除了代号为Lynnfield的45纳米处理器(4个核/8个线程)之外,还会出现采用32纳米技术、代号为Clarkdale的处理器(双核/4个线程)此款处理器将集成显卡功能。

图6:Westmere客户机发展蓝图

在移动计算领域,移动高端市场仍将采用45纳米制程技术、代号为Clarksfield的处理器(4个核/8个线程),而高性能和主流市场将会向采用32纳米技术、代号为Arrandale的处理器迁移(双核/4个线程)此款处理器将在09年第四季度投产。

在所有主要的英特尔至强服务器市场同样将迁移到32纳米制程技术。与在台式机市场的发布一样,Clarkdale处理器将会受到“实用型”市场的欢迎。在过不久“高能效”市场(英特尔至强处理器5000系列)将从45纳米Nehalem-EP处理器迁移到32纳米Westmere处理器。“可扩展”市场(英特尔至强处理器7000系列)也将从45纳米Nehalem-EX处理器迁移到32纳米Westmere处理器。

图7:英特尔至强服务器市场同样将迁移到32纳米制程技术

32纳米台式机处理器不仅改进了性能扩展空间,而且缩小了芯片尺寸,这也为处理器具备更高的集成度创造了先决条件。比如在基于Westmere的处理器中,集成显卡内存控制器将放在多芯片封装内的处理器中。在采用32纳米处理器硅核的封装内,显卡和图形控制器是一个45纳米芯片。在第二代32纳米处理器中,南桥芯片也将被包含在内。

这将颠覆人们当前将主流PC视为一个3芯片解决方案的观念,同时是比对整个产业的格局带来远胜于45纳米工艺的深远影响。

32纳米近在咫尺

在CPU方面,32纳米技术至少要到明年才会全面商用化,但是在联合并购转交晶圆工厂之后,AMD的制造工厂合作伙伴GlobalFoundries表示,今年AMD就可以用上32纳米,甚至28纳米的显卡芯片制造技术。

不过实际上“竞争”一词对于AMD来说并不是显得很恰当,包括显卡cpu的最新制程技术都将由GlobalFoundries提供,而实际上后者的客户遍及欧美,芯片产品包括PC平台的CPU,显卡芯片,无线芯片,游戏机以及通信芯片

做为一家合约型芯片制造商,GlobalFoundries的客户包括微软Nvidia,qualcomm等等,该公司制造系统和技术副总裁Tom Sonderman表示,32纳米制程技术预计今年在德国的德累斯顿工厂全面就位,2010年将实现全面量产。

看来AMD全身脱出制造端,由技术和资金实力更强的GlobalFoundries来推进先进制程,并保证产能供应的话,应该是一项更不错的策略措施。

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