原创 英特尔中国研发总经理杜江凌：45纳米打破常规

前不久，我们非常隆重地举行了十几款新型处理器产品的发布，其中非常重点地强调了45纳米的制程技术。我们在这个新的生产工艺中，采用的新材料和新技术，被摩尔博士称为“自上世纪六十年代引入多晶硅材料以来，半导体生产技术中最重大的技术革命”。它直接的意义是延长了摩尔定律的有效期。

　　英特尔是个技术型公司，多年来保持技术领先地位的秘诀就是不断创新，特别是经常有革命性的技术创新。所谓革命性的技术创新，是指那些对现有产品性能提升几个数量级的技术突破。而这些革命性的创新是怎么产生的？简而言之，就是打破常规。

　　就以我们的45纳米制程技术来讲，是打破了多晶硅材料的传统，引入了金属的高K材料，从而解决了传统材料无法解决的漏电问题，使产品集成度更高，而功耗更低。我前面的博客中谈到摩尔定律的正宗表述，是预测集成电路上的晶体管数目将以每两年翻一番的速度增长。对于半导体生产工艺来说，现有材料在达到65纳米工艺时，芯片上的漏电和发热效应使得进一步缩小工艺尺度面临物理极限。怎么办呢？打破常规！集成电路的晶体管为什么不可以用其他材料？最终英特尔的技术精英们找到用于晶体管栅极介电质的材料是新型高K材料，是一种基于金属铪（读音为哈，英文为Hafnium）的氧化物，以此代替传统的二氧化硅，并且栅极材料也采用金属来代替传统的多晶硅。英特尔有着率先采用新技术的传统。虽然别的企业也在研究高K材料，但英特尔却是业界第一个把它应用到生产实践中并首先发布产品，从而走在产业的前列。

　　打破常规是英特尔革命性技术创新的共同特点。比如去年宣布的硅光电技术，就是在硅片上制作激光器，该技术将来可以在芯片内和芯片间实现光纤通信，从而打破片上互连的数据传输瓶颈，真正实现万亿级（每秒万亿比特）计算和通信。这个想法是如何产生的呢？硅是一种不透明的材料，不能发光，它的光电效应很弱。而激光的根本原理是基于“受激发射”，所以传统上认为用硅作激光器是死路一条。我们的科学家没有局限于常规。首先他们注意到硅对于红外线透明度很好，而红外这个波段恰恰是通讯的波段，所以用硅材料做通讯是没有问题的。其次，硅的光受激发射效应很差，但拉曼效应很强。基于拉曼效应也是可以制作激光器的。简单讲一下，拉曼效应的原理是：在光的散射过程中，引起物质中原子的振动，产生波长不同的再生光。硅由于其晶体结构，拉曼效应很强，是标准玻璃材料的1000倍。唯一的问题是硅材料在拉曼效应下对光的损耗很大。这一现象的原因是硅原子在多个光子作用下释放出的电子云会造成光的吸收。英特尔在硅电路上有很好的基础，所以科学家们很快找出方案可以有效地把自由电子清除掉，解决了硅的光损耗问题。正是由于打破传统思维，用硅制作激光器的关键问题都得到了答案。于是又一项革命性技术创新产生了。

　　再举一个内存技术的例子。应该有朋友知道，英特尔是靠内存技术起家的。今年四月份，在北京的信息技术峰会上，我们的CTO贾斯廷（Justin Rattner）向世人展示了一个相变内存（phase change memory）芯片样品的晶圆，宣告了这一新型内存技术的问世。这种新型内存兼有DRAM的高速存取和寻址特性，和闪存那样的非易失性存储特征，而且它的功耗也很低。理论上这种内存技术可以比当前的DRAM还要快几百倍。

　　让我们看看这项技术又是如何打破思维常规的。传统的DRAM是利用电容器制作存储单元，用电容的充放电来做储存动作。但因电容本身有漏电问题，因此必须每几微秒就要刷新一次，否则数据会丢失。存取时间和放电时间一致，约为2~4ms。这个时间是DRAM存取数据的物理极限。电容是构成电路的基本元件，那么是否可以用别的元件做存储，比如可以改变电阻值的材料，以这种相位改变作为存储机制？这就是相变内存的基本概念。其实我们的摩尔博士早在1970年9月份就发表了相关的论文。三十多年后，英特尔的技术精英们终于拿出了这一划时代的新型内存产品。相变存储器的核心是一小片半导体合金薄膜，通过加热，可以在有序的低电阻的结晶相位与无序的高电阻的非结晶相位之间快速转换。由于只需局部改变薄膜结构，因此加热的面积小，数据写入的周期速度可高达10ns左右，比传统的DRAM快200~400倍。加上这种内存可稳定存放、不需电力刷新，被业界视为未来闪存和内存的替代产品。

　　创新是永无止境的。近年来兴起的自旋电子学，对于创新的思考达到了物质的量子级别。简单讲，这门科学是利用载体自旋传导的电子学。在可预见的将来，我们有希望将集成电路的物理极限再次向前推进。

　　有一点我对摩尔先生真是佩服得五体投地：摩尔定律说集成电路上的元件数量会每两年增加一倍，并没特指是半导体还是别的什么。现在还是那么正确，那么与时俱进，真是神奇！