處理器(CPU)性能的不斷提高離不開優(yōu)秀的核心微架構(gòu)的設(shè)計(jì)，而芯片生產(chǎn)工藝的更新?lián)Q代是保證不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì)的處理器變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。每一次制作工藝的更新?lián)Q代都給新一輪處理器高速發(fā)展鋪平了大道。因?yàn)榫€寬越小，晶體管也越小，讓晶體管工作需要的電壓和電流就越低，晶體管開關(guān)的速度也就越快，這樣新工藝的晶體管就可以工作在更高的頻率，隨之而來的就是芯片性能的提升。

大家習(xí)慣了芯片生產(chǎn)工藝兩年一次的更新?lián)Q代，給大家的感覺好像是從65納米到45納米同以前從130納米到90納米，以及從90納米到65納米一樣沒有什么特別的。摩爾定律嘛，就是每24個(gè)月，在同樣面積的硅片上把2倍的晶體管"塞"進(jìn)去，循環(huán)往復(fù)……

從單個(gè)晶體管的角度來看，為了延續(xù)摩爾定律，我們需要每兩年把晶體管的尺寸縮小到原來的一半?，F(xiàn)在的工藝已經(jīng)將晶體管的組成部分做到了幾個(gè)分子和原子的厚度，組成半導(dǎo)體的材料已經(jīng)達(dá)到了它的物理電氣特性的極限。最早達(dá)到這種極限的部件是組成晶體管的柵極氧化物–柵極介電質(zhì)，現(xiàn)有的工藝都是采用二氧化硅(SiO2)層作為柵極介電質(zhì)，如下圖。大家也把源極(Source)和漏極(Drain)之間叫做溝道，在柵極氧化物上面是柵極(Gate)。

二氧化硅是什么？玻璃，水晶和石英的主要成分就是二氧化硅，它是一種良好的絕緣體。

同1995年晶體管中二氧化硅層相比，65納米工藝的晶體管中的二氧化硅層已經(jīng)縮小到只有前者的十分之一，僅只有5個(gè)氧原子的厚度了。作為阻隔柵極和下層的絕緣體，二氧化硅層已經(jīng)不能再進(jìn)一步縮小了，否則產(chǎn)生的漏電流會讓晶體管無法正常工作，如果提高有效工作的電壓和電流，會使芯片最后的功耗大到驚人的地步。

為了使大家更好的理解問題的實(shí)質(zhì)，讓我們來回顧一下晶體管的工作原理。下圖中的S是指源極(Source)，D是指漏極(Drain)，G是柵極(Gate)。晶體管的工作原理其實(shí)很簡單，就是用兩個(gè)狀態(tài)表示二進(jìn)制的"0"和"1"。

源極和漏極之間是溝道(Channel)，當(dāng)沒有對柵極(G)施加電壓的時(shí)候，溝道中不會聚集有效的電荷，源極(S)和漏極(S)之間不會有有效電流產(chǎn)生，晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)?？梢园堰@種關(guān)閉的狀態(tài)解釋為"0"，

當(dāng)對柵極(G)施加電壓的時(shí)候，溝道中會聚集有效的電荷，形成一條從源極(S)到漏極(D)導(dǎo)通的通道，晶體管處于開啟狀態(tài)，可以把這種狀態(tài)解釋為"1"。這樣二進(jìn)制的兩個(gè)狀態(tài)就由晶體管的開啟和關(guān)閉狀態(tài)表示出來了。

我們可以把柵極比喻為控制水管的閥門，開啟讓水流過，關(guān)閉截止水流。晶體管的開啟/關(guān)閉的速度就是我們說的頻率，如果主頻是1GHz，也就是晶體管可以在1秒鐘開啟和關(guān)閉的次數(shù)達(dá)10億次。

回到前面的問題，從65納米開始，我們已經(jīng)無法讓柵極介電質(zhì)繼續(xù)消減變薄，而且到45納米，晶體管的尺寸要進(jìn)一步縮小，源極和漏極也靠得更近了，如果不能解決柵極向下的漏電流問題以及源極和漏極之間的漏電流問題，摩爾定律也許就此終結(jié)。

現(xiàn)有材料都到物理極限了，怎么辦呢？英特爾的技術(shù)精英們在九十年代中期就認(rèn)識到這個(gè)問題了，進(jìn)一步縮小二氧化硅層是不可能的了，需要突破習(xí)慣的思維方式，尋找未知的新材料，讓摩爾定律繼續(xù)有效。放棄已經(jīng)用了近40年的現(xiàn)有材料，做出這樣的決定需要巨大的勇氣和科學(xué)的睿智。

既然繼續(xù)采用二氧化硅作為柵極介電質(zhì)沒有前途，那么就要另辟蹊徑，有沒有可以代替二氧化硅的材料呢？就是尋找比二氧化硅更好的"絕緣體"，用以更好的分隔柵極和晶體管的其他部分，而且替代材料需要具有比二氧化硅更高的介電常數(shù)和更好的場效應(yīng)特性。

說到這里，需要先解釋一下，什么是材料的高介電常數(shù)和場效應(yīng)？就是材料應(yīng)具有良好的絕緣屬性，同時(shí)在柵極和晶體硅襯底上的通道之間(源極和漏極之間)產(chǎn)生很好的場效應(yīng)–就是高-K。

高的絕緣屬性和高-K屬性都是高性能晶體管的理想屬性。K 其實(shí)是電子學(xué)的工程術(shù)語，K源于希臘文Kappa，用于衡量一種材料存儲電荷(正電荷或者負(fù)電子)的能力。類比于不同吸水的材料，海綿可以吸附和存儲大量的水，木頭可以存儲一些水分，所以海綿比木頭的"K值"更高。具有高K的材料可以比其他材料能夠更好地存儲電荷。

下面的示意圖中，采用了2種不同K值的材料(灰色部分)，為了方便說明，假定最左邊材料的K值為1，中間和最右邊材料的K值為=2。

 

給定相同的電壓V+(圖示中為正電壓)，如果材料的厚度相同，K=2的材料存儲電荷的能力是K=1的材料存儲電荷能力的2倍–圖示最左邊和中間的相比。如果K=2材料的厚度為K=1材料的2倍，那么存儲電荷的能力就相同了–圖示最左邊和最右邊的相比。

擁有更高的"K"值的材料可以和目前的二氧化硅做得一樣厚，也可以更厚些–同時(shí)保持著更理想的屬性。因此，高K材料可以大幅減少漏電量。

雖然知道了目標(biāo)，但是要找到高K的材料，并用之完善地代替目前的二氧化硅作為新的柵極介電質(zhì)可不是一件輕而易舉的事情。在元素周期表里找到符合條件的可能元素，然后對這些元素的氧化物和硅酸鹽進(jìn)行一個(gè)一個(gè)的篩選。需要經(jīng)過無數(shù)次的試驗(yàn)和測試它們的：介電常數(shù)、電氣特性的穩(wěn)定性、形成場效應(yīng)的結(jié)構(gòu)、是否和硅兼容等等。

在最初的兩年里，沒有太多的進(jìn)展，研究人員經(jīng)歷了數(shù)不清的失敗和沮喪。研究人員付出的艱辛是難以想象的，因?yàn)闆]有前人的路可以走，沒有可以參考的現(xiàn)成資料。如果沒有創(chuàng)新的勇氣和韌性，沒有對已有經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識的否定，就不可能做到這樣的技術(shù)突破。

最終找到了一種基于金屬鉿(讀音為哈，英文為Hafnium)的氧化物，這種材料具有高K的潛質(zhì)。好事多磨，這種材料作為新的柵極介電質(zhì)和原來的柵極的多晶硅并不兼容。長話短說，英特爾的研究人員又經(jīng)過了更多次的試驗(yàn)和篩選，終于找到了解決辦法，就是采用金屬代替多晶硅作為柵極材料，而且對于PMOS和NMOS晶體管采用的金屬是不一樣的，因此英特爾45納米的處理器中將有2種金屬作為柵極材料。那么這兩種金屬是哪兩種金屬呢？呵呵，對不起，這還是商業(yè)秘密，目前還不便于對外公布。

下圖中就是目前標(biāo)準(zhǔn)晶體管結(jié)構(gòu)的示意圖，這種晶體管的材料在過去將近四十年沒有太大的變化：在晶體硅襯底上的柵極是多晶硅，柵極介電質(zhì)是二氧化硅。

下圖是新的"高-K 柵極介電質(zhì)+金屬柵極"晶體管。注：介電質(zhì)也稱為介質(zhì)。

新的材料找到了，那么在具體的實(shí)現(xiàn)中，這些新材料能給晶體管帶來所期望的結(jié)果嗎？

確定了新的材料，要在45納米的量產(chǎn)中達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)也不是一件容易的事情。其中的艱辛就不再累述?，F(xiàn)在看看新的材料在"高-K 柵極介電質(zhì)+金屬柵極"晶體管中帶來了什么樣的奇特效果。

下圖是采用了新材料做出來的晶體管的示意圖，這種"高-K 柵極介電質(zhì)+金屬柵極"晶體管與前一代"傳統(tǒng)材料"做的晶體管相比，有以下幾個(gè)顯著的飛躍。

(1) 源極(S)到漏極(D)的漏電降低 5倍以上，圖中S到D箭頭方向 (2) 柵極氧化物介電質(zhì)漏電降低 10倍以上，圖中從上到下的箭頭方向 (3) 驅(qū)動電流效率提升20% 以上，即晶體管的性能提升20%

從單個(gè)數(shù)字看5倍，10倍以及20%，可能不是特別激動人心，不過我們想象一下，一顆芯片上數(shù)以億計(jì)的晶體管，每個(gè)晶體管都能得益于這樣的飛躍，那么累計(jì)提高的能效和減少的漏電量無異于"螞蟻雄兵"，非?？捎^。障礙晶體管做得更小，漏電更低，能效更高以及性能更高的物理瓶頸就得以突破了。

英特爾公司為了將研制成功的高-k柵介質(zhì)+金屬柵極晶體管應(yīng)用于微處理器芯片的規(guī)模量產(chǎn)，還需要做到： 1. 集成到45納米 CMOS制程中 2. 達(dá)到高性能 3. 整體的低漏電 4. 滿足高可靠性要求 5. 工藝可量產(chǎn)和精確拷貝

下圖的靚照是采用高-k柵介質(zhì)+金屬柵極晶體管和45納米工藝制造出來的、最新的酷睿2雙核處理器的芯片剖面圖。它的面積僅有107平方毫米，基本上就是1厘米見方，即1×1厘米的大小，但是卻擁有4.1億個(gè)晶體管。

英特爾公司已經(jīng)于去年11月分開始開始量產(chǎn)45納米的基于高-k柵介質(zhì)+金屬柵極晶體管的處理器產(chǎn)品，產(chǎn)品覆蓋整個(gè)產(chǎn)品線：服務(wù)器，臺式機(jī)和筆記本。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的量產(chǎn)時(shí)間比業(yè)界同行整整早了至少2年時(shí)間。

按照計(jì)劃和估計(jì)，英特爾公司45納米量產(chǎn)的芯片將于2008年第3季度超過65納米量產(chǎn)的芯片，新舊更替的分水嶺就在圖中趨勢線的交叉點(diǎn)。

雖然英特爾今天成功地越過了研制量產(chǎn)45納米和高-K 柵極介電質(zhì)+金屬柵極晶體管的障礙，但是按照摩爾定律，兩年以后，就是2009年，就要試產(chǎn)新一代的生產(chǎn)工藝–32納米。擺在英特爾公司面前當(dāng)然不是一馬平川，不過，我們相信這些困難和障礙在英特爾人面前都會變成歷史。

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