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深入Intel纳米世界（图文）
陈晓辉　2000-12-19 10:00:48

　　Intel：摩尔定律并未过时

　　1965年，Intel公司创始人之一——戈登·摩尔曾预言，硅芯片所集成的晶体管数目每隔18个月将翻一番。尽管他的预言并非一种自然规律，但35年来，芯片工业确实不折不扣地遵照着这一定律发展，并一直延续到21世纪末的今天，这就是著名的摩尔定律。如1959年的硅芯片只集成了一个晶体管；但到了1964年，晶体管数目就上升到了32个；1965年这一数目则又翻至64；大约在1975年左右，科学家们成功地研制出了结构复杂程度前所未有的大规模集成电路；而今天呢？刚刚发布的奔腾4微处理器上集成的晶体管数目竟然高达4200万个！

　　不过，从技术角度来看，硅芯片集成技术发展到今天似乎已走到了极限，因此有些人发出了这样的疑问：“摩尔定律是否已到了退出历史舞台的时候？”

　　答案是否定的。最近，Intel公司宣布已研制出一种将大大延长摩尔定律寿命的新技术。利用该新技术，晶体管的体积将由原来的130纳米缩小到30纳米（0.03微米）。这不仅能够大幅提高芯片的工作频率，而且其能耗也将大大降低，所需的工作电压还不到1伏。据Intel介绍，该技术可望在2005年进入大规模实用量产阶段，届时将出现频率高达10GHz且工作电压低于目前产品的微处理器。

　　揭开30纳米晶体管的神秘面纱

　　如此神奇的技术，激起了无数人的好奇心，而以下就是Intel的30纳米晶体管采用技术的几点描述。

　　Intel公司的研究人员采用了超微紫外线（DUV）印刷刻蚀技术制造出了为数不多的30纳米晶体管样品。其下一步的研究是如何采用适于大规模量产的极微紫外线刻蚀技术（EUV）来进行生产。EUV技术来源于哈勃太空望远镜，是为“星球大战”计划而开发的。

　　30纳米到底有多大，恐怕没有几个人知道，下面两幅图则提供了间接对比的机会，左图是一个直径10纳米的金质微粒，它与Z-DNA抗体绑在了一起，通过这幅图，人们可以体会到10纳米物体的大小，而右图即Intel制造出来的30纳米晶体管，也就是说，这个晶体管直径约为那颗微粒的3倍。

　　晶体管表面的涂层物质称为“氧化涂层门关”（gate oxide）。该门关对晶体管之间的交换速度会造成影响。但在30纳米晶体管技术中，该层的厚度仅为0.8纳米。据Intel公司介绍，采用了该氧化涂层门关技术的30纳米晶体管开关速度每秒可达100亿次。下面这张图中箭头所指处就是氧化涂层门关。从图中我们可以清晰看到，氧化涂层门关的厚度仅有3个原子般大小。更形象具体的说，3000万个30纳米晶体管垂直排列在一起，其高度也只有1英寸左右。

　　如前所述，Intel公司希望30纳米技术在2005年能够进入大规模实用生产阶段，届时0.07微米芯片封装技术也将进入成熟实用阶段。预计2003年将实现0.10微米芯片封装技术及50纳米晶体管技术。而今年底到明年初的这段时间里，Intel公司的产品线将全部转移到0.13微米封装工艺，所采用的晶体管制造技术为70纳米。

　　以上即为Intel微处理器技术发展蓝图，Intel公司的发展计划为我们勾勒出了一幅美好的前景。不久之后的微处理器产品性能上将是目前奔腾4的10倍。工作电压低于1伏的10GHz微处理器届时将成为个人电脑的标准配置，同时也是各种手持设备及笔记本电脑的理想之选。

　　Intel还有很长的路要走

　　可30纳米技术在进入商业化生产之前，Intel公司还需解决诸如高速及低能耗带来的各种问题。

　　首先，为了维持用于制造芯片的硅圆晶整体的电荷平衡，在圆晶制造过程中必须往硅原料中加进称为“dopants”的其它添加材料。随着晶体管体积的缩小，这些起平衡作用的附加材料也必须相应增加。从某种程度上说，目前晶体管的密集度是如此之高，以至附加材料原子之间几乎已没有任何多余空间。为了解决这个难题，Intel公司正研究的重点课题之一就是采用各种不同的材料来制造晶体管；

　　另外一个比较棘手的问题是电子的量子特征所带来的，由于30纳米晶体管的氧化涂层门关厚度只有2、3个原子般大小，因此无论门关处于开或关的状态，电子都可以任意进出。解决该问题的方法还处于研究中。目前有一种想法就是采用不同的材料来制造门关，当门关处于关闭状态时，就可以防止电子向错误方向运动。不过，该想法目前还只停留在理论阶段，其可行性尚未得到证实；

　　第三个问题则与芯片的制造成本有关。随着芯片所集成的晶体管数目的大幅度增加，要使硅圆晶上成千上万的晶体管所含的硅材料与附加材料的比例保持完全一致近乎天方夜谭，因此成品率将成困扰Intel公司的一个难题。另外制造工艺将越来越复杂，因此芯片的制造成本将很难控制。

　　谈到制造成本的问题，我们不得不提及摩尔先生另一个同样著名的预言，即随着集成度的提高，芯片的制造成本也将不可避免的“水涨船高”。例如，在1965年，一家芯片制造工厂的造价大约为12000美元左右；而今天呢？一个0.18微米的芯片制造厂至少需要20亿美元。这并非一句简单的“通货膨胀”就可以说明问题的。

　　10GHz微处理器到底能给我们带来什么？

　　让我们想象一下，由4000万颗晶体管构成的、具有强大性能的10GHz微处理器，首先最有可能被用于实时语音通讯领域。除了象今天的语音识别软件一样可自动识别人类的自然语言并在屏幕上显示出来外，未来的语言通讯技术还可以接受语音命令，甚至将一种语言实时翻译成另外一种语言。

　　Intel还希望看到这种新技术被应用于日常生活的自动化及商业应用，诸如购物与安全系统控制等。

　　Intel公司采用目前的光刻蚀技术研制成功30纳米晶体管，应当说这是人类技术史上的一大成绩，再加上Intel公司在其他一些关键技术领域的研究成果，可确保摩尔定律的寿命至少延续到2005年。Intel公司接下来需要解决的问题就是摩尔第二定律——制造成本问题了。

　　5年后，手持实时多语言翻译器能否成为现实呢？这种可能性绝对存在，不过10GHz的芯片对于目前而言还只是个美好的梦想而已。

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