详解Intel 3D晶体管技术
2011-05-11
日前，Intel宣布在微处理器晶体管设计上取得了一项重大的突破，沿用50多年的传统2D硅晶体管将实现3D架构，Intel将其命名Tri-Gate。
Intel正式公布3D晶体管技术
其实早在2002年Intel即发现了这一技术，一直处于试验演示阶段，现在终于把它变成了现实，Intel打算把它融入到22nm的“Ivy Bridge”芯片，Ivy Bridge晶体管的数量将达到10亿。
32nm二维晶体管与22nm三维晶体管对比
3D Tri-Gate晶体管架构能够有效提高单位面积内的晶体管数量，使得非常适合轻薄著称的移动设备，它将取代CPU领域现有的2D架构，手机和消费电子等移动领域都将应用这一技术。
重大意义1：提高单位面积晶体管的数量
Intel3D Tri-Gate晶体管机构技术的实现，使得单位面积内的晶体管数量得到极大的提高，以往芯片受限于面积限制而无法设计更高性能的产品将不会存在了。
22nm 3D Tri-Gate实物图
22nm 3D Tri-Gate晶体管模型图
3D Tri-Gate使用一个薄得不可思议的三维硅鳍片取代了传统二维晶体管上的平面栅极，形象地说就是从硅基底上站了起来。硅鳍片的三个面都安排了一个栅极，其中两侧各一个、顶面一个，用于辅助电流控制，而2-D二维晶体管只在顶部有一个。由于这些硅鳍片都是垂直的，晶体管可以更加紧密地靠在一起，从而大大提高晶体管密度。
3D Tri-Gate晶体管结构的优势
这种设计可以在晶体管开启状态(高性能负载)时通过尽可能多的电流，同时在晶体管关闭状态(节能)将电流降至几乎为零，而且能在两种状态之间极速切换。Intel还计划今后继续提高硅鳍片的高度，从而获得更高的性能和效率。
重大意义2：显著提升供电效率、降低能耗
全新的3D Tri-Gate能够提供同等性能的同时，功耗降低一半。新的接口极大的减少了漏电率。阈值电压可以得到极大的降低。
晶体管工作在更低的电压下，功耗也会得到显著下降，而我们关心的处理器的工作频率也会得到相应的提高。
电压降低0.2V
相比现在的32nm制程，处理器电压可降低0.2V。
即使在同等电压下，新的22nm 3D Tri-Gate晶体管架构性能也可提升37%。
产品前景：加速移动处理芯片的步伐
我们知道移动芯片严重的依赖功耗和体积，Intel 3D Tri-Gate将会在未来应用到这一领域。
相对于传统的2D晶体管结构，晶体管的数量将得到极大提高，我们印象中的嵌入式芯片的性能将媲美传统处理器。而移动设备的续航时间也会随着芯片功耗的降低得到提高。
在新的3D Tri-Gate晶体管架构的带动下，移动设备将迎来新的黄金发展时期，技术的更新速度将明显加快，同时将会有越来越多的产品面世，届时整个行业将会出现欣欣向荣的局面。
产业影响1：摩尔定律得到延续
平面晶体管数量的提升只能纯粹的依靠新的工艺，3D Tri-Gate技术的引入，晶体管数量提升就变得非常容易了，摩尔定律将会依旧成立。
从Intel这份路线图上面我们可以看到不仅仅是22nm，更新的14nm，10nm技术也在不久的未来推出。
Tick-Tock成功延伸
之前单鳍片晶体管、多鳍片晶体管、三栅极SRAM单元、三栅极后栅极(RMG)终于摆脱实验，步入了真实轨道， Intel可将这一技术用于大批量的微处理器芯片生产流水线，有效提高产品质量和降低成本。
“晶体管将变得更小、更便宜也更加高效”，摩尔定律也有望迎来新的发展篇章。
产业影响2：对ARM形成强有力的挑战
采用3D晶体管的英特尔芯片可能会给ARM构成威胁，毕竟ARM是现任移动市场的老大。英特尔推出下一代芯片技术，在微处理器装上更多的晶体管，并希望借此帮助公司掌握平板、智能手机市场的话语权。按照英特尔的计划，2011年底将推出采用新技术的芯片，提供给服务器和台式机、笔记本，它还会为移动设备开发新的处理器。
受新技术发布消息刺激，ARM的股价今天大跌7.3%，在伦敦收于5.58英磅。
Matrix分析师阿德里安(Adrien Bommelaer)认为，英特尔是否能迅速闯进ARM的后院，这还没有定论。他说：“英特尔显然想跳出核心PC市场的范围。关键问题是‘它们能推出一款处理器，足够强大，可以在移动计算领域一争高下吗？’”“它们将推出新的芯片，比上一代32纳米芯片节能50%，朝正确方向前进了一大步，但是否足够？我不知道。要知道ARM自己的能效也在进步。”
据英特尔说22纳米的芯片性能比现在的32纳米芯片更高。为了扩大制程技术的优势，赶上移动竞赛，上个月英特尔将2011年资本开支提高到102亿美元，原定数额为90亿美元，目的是落实12纳米制程的开发。
在制程工艺上，英特尔大大领先于其它芯片商，它可以制造更快更高效的处理器。
自20世纪60年代以来，英特尔和其它半导体企业投入数十亿美元搞研发，每两年让芯片上的晶体管数量翻倍，从而方便产品进入到更小更快的小电子产品中。随着时间的推进，开发和使用先进制程技术成本过高，许多企业无法负担。但分析师说，英特尔资金雄厚，能持续推进制程发展。
花旗集团分析师扬(Glen Yeung)对英特尔的新技术表示赞扬，将目标价提高到了27美元，建议买入英特尔股票。他认为英特尔在芯片制造上有3-4年优势，当芯片闲置时，3D晶体管可以减少电流泄露，当芯片繁忙时它能运行在更低的电压下。
下代Ivy Bridge将首次使用3D晶体管
按照Intel的规划，Ivy Bridge芯片将首次使用这一技术，之前我们关于Ivy Bridge介绍时提到芯片的架构改变不大。而现在Intel给Ivy Bridge注入3D Tri-Gate这一元素后，相信我们认识的22nm版本“Sandy Bridge”将会获得质的飞跃。
22nm 3D Tri-Gate成功的实现了性能的飞跃，同时功耗也得到极大降低，在晶体管关闭状态将电流降至几乎为零，而且能在两种状态之间极速切换。
22nm的3D Tri-Gate晶体管立体结构在单位面积承载更多的晶体管数量，助Ivy Bridge晶体管数量成功突破10亿。
伴随处理性能提升，显示性能的增强，22nm Ivy Bridge无疑会成为Intel的划时代意义的产品，我们将拭目以待。
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