原创 微缩的力量：透过数据看CPU技术进步

微缩的力量：透过数据看CPU技术进步

微处理器的发展史，就是集成度不断提高的历史。按照摩尔定律，芯片内晶体管的数量每18个提高一倍。Intel 4004核心尺寸为3 x 4mm²，共集成有2,300个晶体管，集成度不足200个晶体管／mm²；而Pentium 4核心尺寸是112mm²，包含了1.25亿颗晶体管，集成度高达110万个晶体管／mm²。从4004到P4E，集成度提高了5千多倍。在摩尔定律的背后，是一种什么样的力量不断地压缩晶体管的尺寸呢？

微处理器内的晶体管数量按摩尔定律增长

一、半导体技术路线图：推动芯片技术发展的软性力量

　在1992年以前，技术节点由半导体制造大厂自行决定，而从1992年开始，芯片制造商、设备供应商、材料供应商和软件供应商组建了的国际半导体行业协会（SIA），SIA通过制定“国际半导体技术路线图（ISTR）”，协调各方步调。ISTR包括芯片设计、工艺集成、前端工艺、光刻、互联、工厂集成、测试和封装和装配等技术规范和工作进展，所有厂商都按照统一的时间表进行工作。

晶元（wafer），半导体工业的粮食

　ISTR规定：每个技术节点将半节距缩小0.7倍（或两个节点缩小0.5倍），过渡到下一个节点的期限为2～3年。

　半导体技术的进步像110米栏比赛，不断地跨越一个又一个障碍。ISTR作为一种软性的力量，把各项技术研发工作整体向前推进。众多厂商的风险和利益通过ISTR绑在了一起，减少了不确定性。1995年以来，微处理器的技术节点基本上是按照ISTR的时间表从500nm、350nm、250nm、180nm、50nm、130nm走到了今天的90nm和65nm。

二、光学微影设备：提高集成度的金刚钻

　没有金刚钻揽不下瓷器活。在芯片工厂，光学微影设备（即光刻机）是最昂贵的设备，单台价格高达2000万美元左右。光刻机当然也是芯片制作中最关键的设备，发出的激光波长越短，分辨率越高，形成微电路的线宽也就越窄。线宽缩小了，芯片的集成度才能得以提高。

芯片光刻工艺进展

　历年来，光刻机曝光光源的激光波长不断缩短，从436nm、365nm的近紫外（NUV）激光进入到246nm、193nm的深紫外（DUV）激光。为获得这些激光，先后使用了汞灯光源和准分子光源。在45nm节点之后，将需要使用波长更短、能量更大的光源，如极紫外、X射线、电子束和离子束等。

                       表1  芯片发展各个阶段使用的光源<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

三、多层布线实现立体“养植”

　早期的集成电路只有一层，随着对芯片内晶体管数量的要求不断增加，需要通过增加布线层数来实现。Prescott核心采用7层布线，到65nm工艺时将达到8层布线。AMD的Athlon XP的铜互联层已经做到了9层布线。

多层芯片的结构

　除了多层布线工艺外，现在研究人员正在研究如何在现有工艺和技术的基础上增加各层器件数量，并打破多年来一直采用平面化元器件布置工艺，走向立体化。