英特爾宣布，22nm三柵極（Tri-Gate）的革命性3D晶體管將批量生產，還將在2011年底前批量投產研發代號為Ivy Bridge的22nm微處理器芯片，首先用于筆記本電腦、服務器和臺式機。其革命性體現在把已延續了50多年的2D平面晶體管結構突破到了3D結構且可批量生產，這堪稱一個里程碑式的標志。目前，除了英特爾之外，還沒有其他任何一家廠商可以做到這一點。
雖然英特爾沒有公布3D結構晶體管用于低功耗凌動處理器的具體時間表，但英特爾大連芯片廠總經理兼技術與制造事業部亞洲區發言人Kirby Jefferson表示：“會很快。”由此可以預期，一旦采用3D三柵極晶體管的凌動處理器進入市場，在低功耗、低成本的嵌入式領域必將掀起一場滔天巨浪。屆時，I-A（英特爾與ARM）大戰將正式進入貼身白熱化的程度，ARM將面臨來自22nm工藝3D三柵極晶體管技術的強勁挑戰。
隨著英特爾3D三柵極晶體管消息的發布，ARM股價應聲狂跌了7.3%，而英特爾股價則趁勢上漲了1.95%。不管未來I-A戰役雙方勝負結果如何，可以肯定的是，消費者將會享受到價格更低、功耗更小、性能更高的嵌入式消費電子產品帶來的愉悅體驗。
下面來看看3D三柵極晶體管的技術特性。在低電壓時，22nm工藝的3D三柵極晶體管比此前的32nm平面晶體管柵極延遲，即開關速度快了37%，功耗降低了50%。
圖1 英特爾3D三柵極晶體管結構圖
那么上述特性是如何實現的呢？傳統扁平的2D平面晶體管只在頂部有一個柵極，英特爾的研發人員將2D平面柵極“拔”高成了相當薄的、從硅基體垂直豎起的3D硅鰭狀物（見圖1）。這樣，在鰭狀物的兩側和頂部各有一個柵極，形成導電通道，增加了反型層面積，提高了次臨界斜率，降低了漏電流和臨界電壓，進而實現電流控制。使晶體管在“開”的狀態下讓盡可能多的電流通過，而在“關”的狀態下盡可能讓電流接近零，降低了功耗；同時還能在兩種狀態之間迅速切換，開關速度快就可以提高晶體管性能。這種情況下，制造成本只增加了2-3%。英特爾3D三柵極晶體管與32nm平面晶體管對比、3D三柵極晶體管與2D平面晶體管的通道電流與柵極電壓特性曲線比較分別如圖2和圖3所示。
圖2 英特爾22nm 3D三柵極晶體管與32nm平面晶體管對比
圖3 英特爾3D三柵極晶體管與傳統2D平面晶體管的通道電流與柵極電壓特性曲線比較
另外，由于Bulk 晶體管、部分耗盡型SOI（PDSOI）晶體管屬于未完全耗盡型晶體管，而全耗盡型SOI（FDSOI）需要昂貴的超薄SOI 晶圓，整體制程成本增加了大約 10%。因此，英特爾沒有采用上述技術。
3D三柵極晶體管結構還提供了一種管理晶體管密度的方式，由于這些鰭狀物本身是垂直的，晶體管也能更緊密地封裝，這是摩爾定律追求的技術和經濟效益的關鍵所在。未來，設計師還可以不斷增加鰭狀物的高度，從而獲得更高的性能和能效。
據悉，英特爾專門在全球同步的美國發布會上展示了22nm工藝的Ivy Bridge微處理器，可用于筆記本電腦、服務器和臺式機。基于Ivy Bridge的酷睿系列處理器將是首批采用3D三柵極晶體管進行批量生產的芯片。 |
