解析 45NM 纳米 CPU 制作工艺CPU 的发展史也可以看作是制作工艺的发展史如果想要提高 CPU 的性能，那么更高的频率、更先进的核心以及更优秀的缓存架构都是不可或缺的，而此时自然也需要以制作工艺作为保障几乎每一次制作工艺的改进都能为 CPU 发展带来最强大的源动力，无论是 Intel 还是AMD，制作工艺都是发展蓝图中的重中之重，如今处理器的制造工艺已经走到了 45 纳米的新舞台，它将为新一轮 CPU 高速增长开辟一条康庄大道很多用户都对不同的 CPU 的制作工艺非常熟悉，然而如果问他们什么是制作工艺，65 纳米、45 纳米代表的是什么，有什么不同，这些问题他们未必能够准确地解答，下面我们就一起来详细了解一下吧一、铜导互连的末代疯狂：45 纳米制作工艺几乎每一次制作工艺的改进都会给 CPU 发展带来巨大的源动力以如今炙手可热的Pentium4 为例，从最初的 0.18 微米到随后的 65 纳米，短短四年中我们看到了惊人的巨变如今，45 纳米制作工艺再一次突破了极限，这也被视为是铜导互连技术的最终畅想曲1．制作工艺的重要性早期的微处理器都是使用 0.5 微米工艺制造出来的，随着 CPU 频率的增加，原有的工艺已无法满足产品的要求，这样便出现了 0.35 微米以及 0.25 微米工艺，不久以后，0.18 微米、0.13 微米以及 90 纳米制造的处理器产品也相继面世。
另外一方面，早期芯片内部都是使用铝作为导体，但是由于芯片速度的提高，芯片面积的缩小，铝线已经接近其物理性能极限，所以芯片制造厂商必须找出更好的能够代替铝导线的新的技术，这便是我们常说的铜导技术铜导线与铝导线相比，有很大的优势，具体表现在其导电性要优于铝，而且电阻小，所以发热量也要小于现在所使用的铝，从而可以有效地提高芯片的稳定性我们今天所要介绍的 65 纳米技术也是向着这一方向发展Intel 在 IDF 2007 上骄傲地展示 45nm 工艺光刻蚀是目前 CPU 制造过程当中工艺非常复杂的一个步骤，其过程就是使用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕，由此改变该处材料的化学特性这项技术对于所用光的波长要求极为严格，需要使用短波长的紫外线和大曲率的透镜，刻蚀过程还会受到晶圆上的污点的影响每一步刻蚀都是一个复杂而精细的过程，设计每一步过程的所需要的数据量都可以用 10GB 的单位来计量，而且制造每块处理器所需要的刻蚀步骤都超过 20 步制作工艺对于光刻蚀的影响十分巨大，这也就是 CPU 制造商疯狂追求制作工艺的最终原因 2．何谓 45 纳米制作工艺我们通常所说的 CPU 纳米制作工艺并非是加工生产线，实际上指的是一种工艺尺寸，代表在一块硅晶圆片上集成所数以万计的晶体管之间的连线宽度。
按技术述语来说，也就是指芯片上最基本功能单元门电路和门电路间连线的宽度以 90 纳米制造工艺为例，此时门电路间的连线宽度为 90 纳米我们知道，1 微米相当于 1/60 头发丝大小，经过计算我们可以算出，0.045微米（45 纳米）相当于 1/1333 头发丝大小可别小看这 1/1333 头发丝大小，这微小的连线宽度决定了 CPU 的实际性能，CPU 生产厂商为此不遗余力地减小晶体管间的连线宽度，以提高在单位面积上所集成的晶体管数量采用 45 纳米制造工艺之后，与 65 纳米工艺相比，绝对不是简单地令连线宽度减少了 20 纳米，而是芯片制造工艺上的一个质的飞跃Intel 展示 45 纳米工艺的晶元如今最新的 45 纳米制造工艺可以在不增加芯片体积的前提下，在相同体积内集成多将近一倍的晶体管，使芯片的功能得到扩展毫无疑问，信位宽度越小，晶体管的极限工作能力就越大，这也意味着更加出色的性能对于 Core 架构的 Intel 处理器而言，更高的主频有着很大的意义，而且新的制作工艺令集成更多缓存变得轻而易举下表是历代微处理器与制作工艺发展之间的关系：微处理器 制作工艺 工作主频中位数 二级缓存40486 0.5 微米 50MHz 无Pentium 0.35 微米 133MHz 无（主板外置）PentiumII 0.25 微米 333MHz 512KB（芯片外置）PentiumIII 0.18 微米 750MHz 256KBPentium4（Northwood） 0.13 微米 2.6GHz 512KBPentium4（Prescott） 90 纳米 3.0GHz 2MBCore 2 65 纳米 预测 3.0GHz 2～4MBPenryn 45 纳米 45 纳米 预测 4.0GHz 2～8MB首次采用 0.35 微米制作工艺的 Pentium 让人记忆犹新3．第三代单轴应变硅隧道此次 Intel 在启用 45 纳米制作工艺时还引入了极为重要的改进型 SOI 变形硅技术，也就是第三代单轴应变硅隧道，这对于更好地改善电气性能有着极大的帮助。
CPU 所集成的晶体管是一个小开关，决定了电流的通与断，而在现实世界中，我们无法完全地控制电流，必须借助一些附加技术SOI（Silicon-on-insulator，绝缘体硅片）就是为了防止泄漏电流和停止电流活动而设计的，变形硅则刚好相反，是为了驱动电流流动而设计的事实上，SOI 与变形硅技术总是需要同时使用第三代单轴应变硅隧道将待变形硅片放在一种特殊的硅锗底基上，这种硅锗底基的原子间距离比待变形硅片原子间距离大，受底基原子作用，硅片中的原子也将向外运动，彼此间拉开距离，从而减少对电流的阻力SOI 变形硅有效地扩展了晶体管通道区域，把硅直接放到底层的顶部，可以预留更多的空间，更好地扩展到底层上，使上面的硅原子直接和低层相匹配，延伸硅元素到合适的通道中硅原子有更多的空间后，电阻减少了，增加了电流通过的数量最终结果是使电流流动强度提高了 10～15%，或者使当前的电流更加顺畅，从而提高了晶体管的运行速度，提高了芯片的工作频率4．45 纳米工艺的巨大价值可以很明显地看出来，每次提高制作工艺都能够让主频大幅度提升，而二级缓存的容量也几乎是以倍增的方式来回报更先进的制作工艺提升制作工艺意味着巨额的资金投入，改造一条芯片生产线往往需要花费数十亿美金，如果没有庞大的财力，将无法完成这样的任务。
然而任何产业都是高投入带来高回报，一旦彻底掌握先进的制作工艺，CPU 等产品的制造成本也能下降，反而带来更大的盈利空间对于同样晶体管规模的半导体芯片，新工艺意味着更小的核心面积，而芯片的制造成本与核心面积的平方基本成正比几乎在每次制作工艺的改进过程中，Inte 都领先了一步，IBM、摩托罗拉、AMD、TI、富士通、台积电、联电等半导体企业总是落后半拍目前 Intel 已经成功地将 45 纳米应用于现实产品，而 AMD 和台积电等其它厂商都仅仅停留在“纸上谈兵”的层面对于 AMD 而言，目前仅仅刚刚过渡到 65 纳米制作工艺，45 纳米的暂缓使用将会再次使之无法赢得与 Intel 处理器之间的主频大战，从而令性能比拼处于相对被动的局面然而目前紧盯 65 纳米制作工艺的不仅仅是Intel，包括 AMD、VIA、摩托罗拉等 CPU 制造商也在不断努力，富士通、台积电、联电等专业代工厂商更是十分努力从当前的发展趋势来看，第一款 65 纳米处理器将很可能出现在 2007年年底或者 2008 年年初，而 AMD 则需要到 2008 年第二季度才会跟进二、制程与功耗的矛盾：45 纳米工艺遭遇漏电危机制作工艺对于 CPU 微处理器的重要性不言而喻，无论是提高主频还是集成更多的缓存又或是改进新的核心，这些都需要更为强大的制作工艺作为支撑。
一代又一代的微处理器发展史几乎可以看作是制作工艺的发展史进入 90 纳米时代之后，业界一度停止发展的脚步，其中晶体管漏电便是主要原因之一如果无法彻底解决这一问题，那么今后微处理器的发展之路将会布满荆棘1．晶体管连线宽度：90 纳米后出现危机我们通常所说的 CPU 纳米制作工艺并非是加工生产线，实际上指的是一种工艺尺寸，代表在一块硅晶圆片上集成所数以万计的晶体管之间的连线宽度按技术述语来说，也就是指芯片上最基本功能单元门电路和门电路间连线的宽度以 90 纳米制造工艺为例，此时门电路间的连线宽度为 90 纳米CPU 生产厂商不遗余力地减小晶体管间的连线宽度，以提高在单位面积上所集成的晶体管数量但是，晶体管连线宽度的降低最终容易导致晶体管体积过小，此时也就是我们所说的“漏电”问题以当前的晶体管生产工艺，如果体积太小，那么很有可能在“关闭”状态下仍然是通电的，这样就会带来绝对不可接受的电路错误进入 90 纳米时代后就开始遭遇漏电危机晶圆2．CPU 功率提升：晶体管漏电带来尴尬晶体管漏电所带来的危机不仅仅是电路错误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。
事实上，不仅仅是 90 纳米制作工艺遇到晶体管漏电的难题，65 纳米和 45 纳米工艺更是面临艰巨的挑战尽管晶体管漏电会导致芯片电路错误，但是当漏电现象控制在一定范围内之时，其实并不影响 CPU 的整体工作不过可以肯定的是，晶体管漏电至少造成明显的功耗提升，这不仅仅是晶体管本身带来额外的发热量，还包括 CPU 为了解决信号模糊问题而不得不提高的核心电压我们可以发现，从 0.13 微米到 0.09 微米，不少 CPU 并未降低核心电压，其中一部分原因就是为了解决晶体管漏电问题可是，当 CPU 电压无法降低之时，其功耗是很难得到控制的，最典型的例子莫过于 AMD Athlon 64同样是 Socket 754 接口的 0.09 微米工艺，移动平台的炫龙通过 1.0V 电压可以实现 25W TPD 功耗，而桌面平台的 Athlon 64 却高达 62W尽管这其中有工作主频和核心步进之间的区别，但是造成如此大的差距，核心电压的因素绝对不可忽视至于 Intel 的 Pentium D，在改用 65 纳米工艺之后，核心电压和功耗均未明显下调毫无疑问，未来 CPU 的制作工艺改革必须建立在降低工作电压的基础上，而这也逼迫 CPU 厂商通过其它途径来解决晶体管漏电问题。
65 纳米也没有让 Pentium D 彻底摆脱漏电危机3．Intel 45 纳米工艺的解决方案进入 45 纳米时代之后，此时所面临的挑战更为艰巨晶体管漏电至少造成明显的功耗提升，这不仅仅是晶体管本身带来额外的发热量，还包括 CPU 为了解决信号模糊问题而不得不提高的核心电压为此，Intel 在其 45 纳米工艺中融合了高介电薄膜（High-K Dielectrics）和金属门集成电路，有效解决了这场漏电危机高介电薄膜解决漏电问题尽管最新的制作工艺还没有余地来解决高功耗问题，但是 Intel 将会在新处理器上推出被称为“Deep Power Down”的技术，实现更低的 C6 节电状态新的 C6 状态可以将处理器的核心电压降至其所采用制程技术的极限，在该状态下除了降低处理器核心频率以外还将会关闭所有的高速缓存在这种情况下，其功耗非常低，并且将会在新一代 Penryn 处理器上得到应用三、铜导互连技术：艰难中的挣扎目前的 Intel Core2 以及 AMD K8 处理器都采用金属铜导互连技术，更多的金属铜线互连可以优化电路板并提高制造密度，从而大幅度降低成本的同时为性能提升开辟道路Intel 45 纳米制作工艺在原先的 65 纳米基础上更进一步，采用了 10 层铜互连技术，使硅晶圆上的晶体管集成度再次提高。
经过近几年的发展，铜工艺已经日臻成熟，进入量产阶段但是更多的铜导互连层也会导致互联电路部分的信号延迟，此时 Intel 选择低介电常数的 low k 材料作为介电材料单纯采用铜来代替铝作为互联材料可以降低信号延迟大约 40%，而新型 low k 材料工艺能够在此基础上进一步使信号延迟降低 20％左右。