22纳米3D晶体管是否足以使英特尔击败ARM?

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本文转自电子工程专辑,非常棒的一篇分析报告。如有版权问题,请告知

英特尔最近发布了22纳米三栅极晶体管技术(参阅电子工程专辑报道:图解英特尔提前量产3D晶体管,进入22nm时代),市场研究公司IHS iSuppli认为该技术使得这家世界第一的芯片厂商得以进军智能手机与多媒体平板市场、同时又能保护PC业务免遭ARM侵蚀。

英特尔上周推出的22纳米工艺被称为三栅极晶体管,采用了英特尔朝思暮想的3D晶体管设计。英特尔提供的资料显示采用该技术的芯片功耗将比采用32纳米工艺的同性能传统平面晶体管低50%以上。

HIS首席计算平台研究分析师Matthew Wilkins说:“50%的功耗下降很显著,功耗越低、电池续航时间越长,用户真正移动的时间也就越长。”

英特尔一直想增强自己在移动领域里的影响力,在此领域能效比更好的ARM架构非常受欢迎。尽管英特尔的高管们说今年至少有一款智能手机会采用Atom处理器,但事实上Atom处理器一直无法遏制ARM在手机领域的发展势头。今年三月英特尔高级副总裁、超移动事业部(Ultra Mobility)总经理Anand Chandrasekher的离职就被外界广泛认为是由于在任期间未能拿出成绩的结果。

IHS无线通信业务首席分析师Francis Sideco表示:“沿着纳米路线向前冲对英特尔突破移动市场绝对有帮助。不过那仅仅是一部分,这类设备要达到高能效比还需要系统级的优化。”

左侧是32纳米平面晶体管,黄点代表的电流从栅极下的平面流过;右侧是22纳米三栅极晶体管,电流从垂直鳍的三面流过。

英特尔在自己一直占据主导地位的PC微处理器市场也面临着ARM处理器的挑战。微软在今年一月份宣布下一代Windows操作系统将同时运行于X86和ARM架构,有推测说能效比更好、成本更低的ARM处理器将会打入英特尔的市场,特别是笔记本市场。

但根据IHS的分析,三栅极技术将让X86在与ARM的对决中占据优势。从功耗角度来看,X86在笔记本、上网本、平板和智能手机领域会越来越有竞争力。

IHS指出3D结构概念并不是一个新的芯片生产工艺——台积电和ARM都已经研发了好几年。但和这两家公司不同的是,英特尔的三栅极技术已经可以量产——这是一个重大技术成就。

IHS半导体生产总分析师Len Jelinek表示:“量产能力意味着英特尔在生产上超过竞争对手的优势达到二三年。”Jelinek补充说英特尔三栅极技术的其它优势还包括可扩展性、成本、产品路线图以及无需使用特殊晶圆。

IHS表示三栅极技术可以在下一代光刻工具到来后达到低于20纳米的水平,在性能、功耗成本上取得更大优势。三栅极技术的生产成本仅比传统平面技术高2%-3%。

三栅极技术也让英特尔得以将22纳米工艺延伸至Atom平台,有可能带来更低功耗的微架构,有望被用于手机。IHS认为转型到三栅极晶体管意味着英特尔可以在不使用SOI(绝缘层上硅)的情况下生产耗尽型晶体管,免去了采购昂贵的SOI晶圆的成本。

Wikins说AMD公司在最近几年也在竭力降低功耗。AMD最近发布的APU在一块芯片里整合了微处理器内核与图形处理器。AMD新处理器的目标同样是在系统级别延长电池续航时间。

英特尔难凭3D芯片称霸手机市场

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。

虽然受英特尔新技术发布消息刺激,ARM的股价一度大跌7.3%,在伦敦收于5.58英磅。但是Matrix分析师阿德里安(Adrien Bommelaer)认为,英特尔是否能迅速闯进ARM的领土,还未可知。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。”

Gartner分析师指出,英特尔新3D三栅极设计将不足以成就该公司在移动市场的野心。Gartner副总裁Ken Dulaney表示,英特尔将采用突破技术支持Ivy Bridge 22纳米处理器,但它的设计将不足以进入移动市场。

现在的智能手机与平板计算机几乎都是基于ARM架构芯片,而非英特尔的x86架构,因为ARM架构已被被优化成低耗电,因而电池续航力得以在设备中获得良好表现。虽然Ivy Bridge也具有英特尔最引以为傲的低耗电与高效能设计。

但是Dulaney指出,英特尔所面临的一项特殊考验就是通讯技术。他强调,英特尔从未在广域通讯里成功过。举例而言,英特尔推行WiMax可谓举步维艰,也在LTE等4G领域里大幅落后。要知道,这点可是在和手机制造商打交道时所应具备的最起码条件。

根据Dulaney的说法,平板计算机是个“相当大的智能手机”,而非小型PC。所以其制造商大多是手机制造商,它们早已和德州仪器、高通或是其它通讯芯片商有着良好合作。

制作三栅晶体管的技术难点

与 Intel目前最好的32nm工艺比较,22nm工艺立体型晶体管工作电压Vdd仅0.7v,平面型晶体管则很难达到这样的工作电压水品,同时管子的性能则比前者提升37%。同时,管子的延迟时间可以在输入电压比32nm工艺低0.2v(即0.8V)的条件下保持在原有的水平。

22nm工艺三栅极技术的晶体管性能基本与32nm工艺一致,但输入电压仅0.8V,比后者的1.0V更低,这样工作状态下管子的功耗可减小50%以上。

然而Gartner的分析报告称要实现Finfet技术,需要克服许多工艺方面的难关。比如要制造出Finfet晶体管,要求光刻机的图像对准性能较好。“ 过去人们认为只有采用EUV光刻机才有可能制造出Finfet晶体管,不过由于ASML及尼康生产的193nm液浸式光刻机具有极高的套准精度,因此也有可能采用这种光刻机制造出Finfet晶体管。”

Finfet侧墙掺杂密度控制示意图

另外,尽管采用PIII(Plasma-immersion ion implantation)离子注入工艺可以实现,但如何保证Fin两侧漏源极侧面从上到下杂质掺杂(目的是减小漏源极的电阻)密度的均匀性则是另外一个Finfet制造的难题。

此外,制造Finfet结构时蚀刻Fin时如何保证Fin侧壁的粗糙度控制在一定的水平内也是另一个难题。

 

参考文章:IHS: Intel's tri-gates to keep ARM at bay