从10μm到45nm！英特尔CPU工艺发展史

    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，2007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，Intel公司将首次推出45nm工艺处理器。

Intel首款45nm工艺处理器即将诞生

    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。”Intel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（μm）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、0.13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的最高工艺。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。

● 从Intel第一个10微米4004处理器说起

    奇怪的是每当新一代CPU问世时，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。

    1965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，Intel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的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沟道MOS）电路，因此运算速度比8008快10倍，后者采用了PMOS（P沟道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2.9万个晶体管，频率有4.77MHz、8MHz和10MHz。

Intel 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，Intel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、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75MHz～120MHz，制造工艺则提高到500纳米，此后CPU发展直接就跳转至350nm工艺时代。

● 奔腾深入人心—350nm过渡250nm时期

    1995年后，半导体行业已普遍采用0.35微米（350nm）工艺进行主流芯片的生产。从Pentium 133开始，Intel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Pentium Ⅱ（Klamath核心）及赛扬（Covington核心）等产品。

0.35微米工艺的经典产品：Pentium MMX

    Pentium MMX（多能奔腾，P55C）是最典型的产品，它是第一个拥有MMX（Multi Media 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性能及频率的增加，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Intel处理器主要有Pentium Ⅱ（Deschutes核心）、Pentium Ⅲ（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 Ⅲ，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指令集，早期版本采用Slot 1接口。其中Katmai核心的产品运行在100MHz外频下，主频为450MHz、500MHz、550MHz。这时的CPU外型有些现在最新CPU的雏形。

● 塑造经典—180nm直接跨入130nm时期

    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Pentium Ⅲ（Coppermine核心）、Pentium 4（Willamette核心）等产品。其中Coppermine（铜矿）核心的Pentium Ⅲ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1.3GHz～2GHz，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 423/478两种接口。

    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%以上，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0.18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 Ⅲ-S及Celeron Ⅲ）、Northwood系列（Pentium 4 A/B/C、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 Ⅲ。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（Pentium Ⅲ-S）和256KB（Pentium Ⅲ和赛扬），可超频性很强。凭借先进的制程，Tualatin核心Pentium Ⅲ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800MHz前端总线，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。

● 质的飞跃—从90nm过渡65nm时期

    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Pentium 4E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1MB二级缓存； 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 Extreme 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L2 Cache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。

● 新的起点—45nm处理器即将诞生

    目前Intel两年一跟换工艺，在65nm工艺处理器全面上市后，Intel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、双核心 Xeon MP处理器Dunnington DC及四核心Xeon MP处理器Dunnington QC。

Intel首款45nm Penryn处理器QX9650

    Penryn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，不仅提升晶体管效能，同时源极 - 汲极 (source-drain) 漏电也可减少逾5倍，明显改善晶体管耗电量。这样，在目前来说还是很的控制了漏电问题。

● 45nm究竟有多小？ 

    由于nm不像厘米和毫米，肉眼即可来量度察看，多数人对于nm可能没有概念，其实1米约相为10亿nm，相比1947年贝尔实验室 (Bell Labs) 第一颗晶体管大到可以握在手中，而数百颗45 nm晶体管加起来，才相等于1个红血球细胞的表面积那么点大，可想而知从1947年生产的第一个晶体管到现在60年来电晶体技术的进步十分神速。

    如果日常用品以nm作为直径量度单位，小钉子约等于2千万nm，3 万余颗 45 nm晶体管加起来只有针头大小，约为 150 万nm左右。1 人类毛发约等于9万nm，2 千多颗 45 nm晶体管加起来才相当于人类一根毛发的宽度，连看不到的细菌，原来它的直径也有2,000nm，因此，肉眼要看到45nm晶体管，必须需要非常先进的显微镜工具才能达成。

    [结语]：目前，45纳米制造工艺即将成为市场的主流，未来最大的挑战是32纳米，以及更高级的22纳米。据悉，英特尔已经计划于2009年推出32纳米的处理器产品。

    随着处理器芯片集成晶体数量的变化，工艺的变化也会随之调整，那么，未来32纳米制造工艺，无疑将成为先进技术的代表，相比而言它体积更小，性能更高。但同时，要实现32纳米制造工艺必须解决各个方面的诸多技术难题。未来32纳米制造工艺面临的挑战依然严峻。