英特爾公司1月29日宣布在基礎(chǔ)晶體管設(shè)計方面取得另一重大突破：能采用兩種嶄新材料來制造45nm晶體管的絕緣層及開關(guān)閘極。新一代的Intel Core 2 Duo、Intel Core 2 Quad及Xeon多核心處理器系列，將添上億顆這種超小型晶體管（或開關(guān)）。英特爾同時宣布正在試產(chǎn)及測試五款初期版本產(chǎn)品，作為該公司推出15款45nm處理器產(chǎn)品計劃中的第一批。
    新型晶體管將令英特爾的個人計算機、手提電腦及服務(wù)器處理器執(zhí)行速度持續(xù)突破紀(jì)錄，并減低晶體管的漏電量。晶體管一旦漏電，往往影響芯片及個人計算機的設(shè)計、大小、耗電量、噪聲及成本。今日的宣布亦將確保Moore’s Law，即晶體管數(shù)目每兩年就會倍增的高科技產(chǎn)業(yè)定律可以再延續(xù)至未來十年！
    英特爾相信該公司的技術(shù)已持續(xù)領(lǐng)先其它半導(dǎo)體業(yè)者一年以上，并率先推出首款代號為Penryn的新一代45nm產(chǎn)品系列處理器原型樣本。首批產(chǎn)品目標(biāo)鎖定五大計算機市場，并可執(zhí)行Windows Vista、Mac OS X、Windows XP和Linux操作系統(tǒng)以及各種應(yīng)用程序。英特爾依照計劃，將于今年下半年投產(chǎn)45nm處理器。

全新high-k材料及金屬閘極（metal gate）

    英特爾開創(chuàng)業(yè)界先河，采用全新材料組合制造45nm產(chǎn)品，大幅降低漏電量，同時提升效能。英特爾將采用被稱為high-k的嶄新材料來制造晶體管閘極電介質(zhì)（transistor gate dielectric），而晶體管閘極的電極（transistor gate electrode）亦將搭配采用新的金屬材料組合。
    英特爾創(chuàng)辦人之一的Gordon Moore表示：“采用high-k及新的金屬閘極材料，標(biāo)志著自1960年代后期推出多硅晶閘極（polysilicon gate）金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）晶體管以來，晶體管技術(shù)的最大突破。”
    晶體管是超微型的開關(guān)，負(fù)責(zé)處理數(shù)碼世界內(nèi)的0和1組合。閘極負(fù)責(zé)開啟和關(guān)閉晶體管，而閘極電介質(zhì)是閘極下的絕緣層，隔離閘極和電流流動的通路。金屬閘極和high-k閘極電介質(zhì)的組合，可以產(chǎn)出漏電量極低且效能突破紀(jì)錄的晶體管。
    英特爾資深研究院士Mark Bohr指出：“由于單一硅芯片上的晶體管數(shù)量愈來愈多，業(yè)界因此亦持續(xù)不斷研究減少漏電的解決方案。英特爾的工程師和設(shè)計師在這方面獲得卓越成果，確保英特爾在產(chǎn)品和創(chuàng)新的領(lǐng)導(dǎo)地位。英特爾的45nm制程技術(shù)采用創(chuàng)新的high-k和金屬閘極晶體管，因此能夠提供速度更快、耗電更少的多核心產(chǎn)品，持續(xù)強化我們成功的Intel Core 2和Xeon系列處理器產(chǎn)品，并使Moore’s Law得以再延展十年。”

英特爾工程師展示45nm SRAM實驗版晶圓

    如果與實際物體進行比較，400顆英特爾45nm晶體管約等同于人類單一紅血球的表面面積。僅僅十年前，最先進的制程采用的是250nm（等于0.25nm），制造出來的晶體管大小約為英特爾今天宣布新技術(shù)大小的5.5倍，體積更達(dá)30倍之多。
    根據(jù)Moore’s Law，芯片上的晶體管數(shù)目每兩年增長接近一倍，因此英特爾能夠透過創(chuàng)新和整合，加入更多功能和運算核心、提升效能、并降低生產(chǎn)成本和每顆晶體管的成本。為了維持創(chuàng)新速度，晶體管必須不斷縮小。但如果繼續(xù)采用現(xiàn)今的制材，再縮小晶體管時就會遇上極限——當(dāng)晶體管已經(jīng)縮小至原子大小的尺寸時，耗電和散熱便會增加。為了持續(xù)推動Moore’s Law以及因應(yīng)信息時代的經(jīng)濟需求，必須采用新制材。

high-k及金屬閘極組合

    由于二氧化硅具有可制性（manufacturability），且能夠減少厚度以持續(xù)改善晶體管效能，因此過去40余年來都采用二氧化硅作為制造閘極電介質(zhì)的制材。英特爾的65nm制程已成功將二氧化硅閘極電介質(zhì)厚度降低至1.2nm——相當(dāng)于5層原子，但厚度減少卻導(dǎo)致閘極電介質(zhì)的漏電量增加，出現(xiàn)浪費電流和增加不必要的熱能等情況。
    業(yè)界認(rèn)為隨著二氧化硅閘極電介質(zhì)厚度減少而導(dǎo)致晶體管閘極的漏電增加，是Moore’s Law面對的最大技術(shù)挑戰(zhàn)之一。為了解決這個關(guān)鍵問題，英特爾以較厚的high-k材料（以鉿(hafnium)元素為基礎(chǔ)），取代沿用至今已超過40年的二氧化硅作為閘極電介質(zhì)，使漏電量降低10倍以上。

45nm Penryn晶粒

    由于high-k閘極電介質(zhì)與現(xiàn)時的硅閘極并不兼容，英特爾的45nm晶體管設(shè)計亦必須開發(fā)新的金屬閘極材料。雖然新金屬的細(xì)節(jié)仍是商業(yè)機密，但英特爾的新晶體管閘極將使用不同金屬材料的組合。英特爾的45nm制程采用high-k閘極電介質(zhì)及金屬閘極，能增加驅(qū)動電流20%以上，等于提升晶體管效能。源極-汲極（source-drain）漏電則減少五倍以上，改善晶體管耗電量。
    與上一代制程比較，英特爾的45nm制程技術(shù)亦提升了晶體管密度約兩倍，令該公司不僅能夠增加處理器的晶體管總數(shù)，亦能研制出體積更微細(xì)的處理器。由于45nm晶體管較上一代制品更為細(xì)小，開關(guān)時所需電力更低，因此在開關(guān)運作時耗電量減少近30%。英特爾將在45nm的內(nèi)部連接線（interconnects）采用銅線搭配low-k電介質(zhì)，以提升效能并降低耗電量。英特爾亦將使用創(chuàng)新設(shè)計規(guī)格和先進的光罩技術(shù)，將193nm干式微影技術(shù)（dry lithography）的應(yīng)用擴展至45nm處理器，以善用其成本優(yōu)勢和高可制性。

晶體管的發(fā)展歷史及重要里程碑

    自從全球第一顆晶體管于1947年面世以來，科技發(fā)展一日千里，為更先進、更強大、更具成本和能源效益的產(chǎn)品發(fā)明作好準(zhǔn)備。盡管技術(shù)上已有不少的進步，但是晶體管發(fā)熱和漏電問題依然存在，對制造更細(xì)小的晶體管和延伸Moore’s Law構(gòu)成重大障礙。因此，部分沿用了40年的晶體管材料無疑有更換需要。

45nm SRAM實驗版晶圓特寫

    利用英特爾公司用于45nm晶體管的high-k材料可制造出一種漏電量極低、性能有史以來最高的晶體管。在晶體管誕生60周年之際，英特爾在45nm制程技術(shù)上的突破，催生了嶄新的半導(dǎo)體技術(shù)，并將把Moore’s Law帶到未來的十載。以下，讓我們回顧一下晶體管的發(fā)展歷史及重要里程碑。
    1947年12月16日：William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain成功在Bell Labs創(chuàng)造出全球第一顆晶體管。
    1950年：William Shockley開發(fā)出雙極晶體管（bipolar junction transistor），成為現(xiàn)時通用的標(biāo)準(zhǔn)晶體管。
    1953年：首項采用晶體管的商業(yè)設(shè)備，即助聽器，投入市場。
    1954年10月18日：首部由晶體管制造的收音機（Regency TR1）投入市場，僅包含4顆鍺晶體管（germanium transistors）。
    1961年4月25日：Robert Noyce憑集成電路（integrated circuit）取得首項專利。雖然最初的晶體管已經(jīng)足夠用于制造收音機和電話，但是新的電子設(shè)備需要用到規(guī)格更小的晶體管，即集成電路。
    1965年：Moore’s Law面世。當(dāng)時，Moore’s Law在Electronics Magazine雜志發(fā)表，英特爾的Gordon Moore在文章中預(yù)測，芯片上的晶體管數(shù)量大約每年增長一倍（10年后修正為每兩年增長一倍）。
    1968年7月：Robert Noyce和Gordon Moore辭去Fairchild Semiconductor的職位，合力創(chuàng)辦了英特爾公司（英文名稱Intel為integrated electronics的縮寫）。
    1969年：英特爾成功開發(fā)出PMOS硅晶閘極晶體管（silicon gate transistor）技術(shù)。這些晶體管持續(xù)使用傳統(tǒng)的二氧化硅晶閘極電介質(zhì)（dioxide (SiO2) gate dielectric），但是引入了新的多硅晶閘極（polysilicon gate electrodes）。
    1971年：英特爾發(fā)布了第一個微處理器4004。4004規(guī)格為1/8英寸 x 1/16英寸，只載有2,000多顆晶體管，采用英特爾10微米PMOS技術(shù)生產(chǎn)。
    1978年：英特爾歷史性地將Intel 8088微處理器售予IBM新設(shè)的個人計算機業(yè)務(wù)部，令該處理器成為IBM新產(chǎn)品IBM PC的中樞大腦。16位8088處理器載有2.9萬顆晶體管，頻率分別為5MHz、8MHz和10MHz。8088的成功讓英特爾擠身「Fortune 500強」企業(yè)排名榜，《Fortune》雜志亦將英特爾公司評價為“Business Triumphs of the Seventies”。
    1982年：286微處理器（又稱80286）推出市場，成為英特爾出品的第一個16位處理器，可運行所有為英特爾上一代產(chǎn)品所編寫的軟件程序。286處理器使用了134,000顆晶體管，頻率分別為6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。
    1985年：英特爾386微處理器面世，載有27.5萬顆晶體管，是最初4004晶體管數(shù)量的100多倍。386是32位芯片，具備多任務(wù)處理能力，亦即可在同一時間執(zhí)行多個程序。
    1993年：Intel Pentium處理器面世。此處理器采用0.8微米制程技術(shù)生產(chǎn)，載有300萬顆晶體管。
    1999年2月：英特爾發(fā)布Pentium III處理器。Pentium III是1x1正方形硅晶，內(nèi)含950萬顆晶體管，采用英特爾0.25微米制程技術(shù)生產(chǎn)。
    2002年1月：英特爾Pentium 4處理器推出，令高性能桌面計算機可以實現(xiàn)每秒22億個周期運算的速度。它采用英特爾0.13微米制程技術(shù)生產(chǎn)，載有5,500萬顆晶體管。
    2002年8月13日：英特爾透露90nm制程技術(shù)的若干技術(shù)突破，包括高性能、低功耗的晶體管、應(yīng)變硅晶（strained silicon）、高速銅質(zhì)連接面（copper interconnects）和新型low-k介質(zhì)材料。這是業(yè)內(nèi)首次在生產(chǎn)過程中采用應(yīng)變硅晶。
    2003年3月12日：針對手提電腦的Intel Centrino流動技術(shù)平臺誕生，包括了英特爾最新的流動處理器Intel Pentium M處理器。該處理器建基于全新的優(yōu)化流動微架構(gòu)，采用英特爾0.13微米制程技術(shù)生產(chǎn)，載有7,700萬顆晶體管。
    2005年5月26日：英特爾第一顆主流雙核處理器Intel Pentium D誕生，內(nèi)有2.3億顆晶體管，采用英特爾領(lǐng)先的90nm制程技術(shù)生產(chǎn)。
    2006年7月18日：Intel Itanium雙核心處理器推出市場，采用全球最精密的產(chǎn)品設(shè)計，內(nèi)有17.2億顆晶體管。該處理器采用英特爾90nm制程技術(shù)生產(chǎn)。
    2006年7月27日：全球最佳處理器 ― Intel Core 2 Duo處理器誕生。該處理器載有超過2.9億顆晶體管，采用英特爾65nm制程技術(shù)，并于全球多個最先進的實驗室產(chǎn)生。
    2006年9月26日：英特爾宣布正在開發(fā)超過15種針對桌面計算機、手提電腦及企業(yè)市場的45nm制程產(chǎn)品，代號為“Penryn”，是Intel Core microarchitecture衍生的技術(shù)。

英特爾位于美國亞利桑那州的Fab 32已現(xiàn)采用最先進的45nm制程技術(shù)

    2007年1月8日：為了將四核心處理器拓展至主流消費者市場，英特爾發(fā)布了針對桌面計算機，并由65nm制程生產(chǎn)的四核心處理器和兩款四核心服務(wù)器處理器。Intel Core 2 Quad四核心處理器內(nèi)有5.8億多顆晶體管。
?2007年1月29日：英特爾公布采用突破性的晶體管材料，即high-k材料及金屬閘極（metal gate）。英特爾將在Intel Core 2 Duo、Intel Core 2 Quad及Xeon系列多核心處理器等新一代處理器中采用這些材料，在數(shù)以億計的45nm晶體管或超小型晶體管（或開關(guān)）上構(gòu)建絕緣層及開關(guān)閘極。研發(fā)代號為Penryn。已可投入使用的45nm處理器已采用了這類先進的晶體管。