写在45纳米处理器发布时：四声你好与三声再见

纳米（nanometer，nm）这个物理学上著名的计量单位，走进人们的生活仅仅是近几年的事情，但是猛然间，却发现"纳米"二字已经在我们身边出现的次数越来越多，充斥在我们的生活中，无论是身上穿着的"纳米材料"，还是生活在"纳米涂料"涂装的新居之中，越来越多的"纳米"走进了我们的生活。

对于芯片产业来说，"纳米"则是一个符号，因为每一件能与"纳米"产生关联的事情，都标志着每一代芯片制造工艺的一种前进，更推动着芯片的处理速度一次又一次的攀上高峰，"纳米"对于芯片产业，乃至整个IT产业来说，已经幻化成了受人顶礼膜拜的图腾。

"纳米"这个计量单位有个很神奇的现象，那就是：同一种物质因为构造上以纳米为单位的变化（100纳米以内），其物理性能与化学性质便会产生意想不到的变化。于是，这个在数学上定义为10负九次方米，即仅仅是1米的十亿分之一的计量单位，神奇的改变着我们的生活。

11月，英特尔公司揭开了Core 2 处理器家族（代号Penryn）的面纱，发布了全新的45纳米制程的处理器，无论这些处理器频率如何、功耗多大、价格几许，抑或它们是双核还是四核，所有人所关心的，全都集中在了"45"这个具有魔力的数字上面，不是46，不是47，只是45。

对于这次发布45纳米处理器，Intel中国大区总经理杨叙在Intel的博客上说了四个字：很不简单。那么，到底哪里不简单呢？随着45纳米处理器的到来，我们会迎接些什么，又会告别些什么呢？

对于45纳米处理器来说，在几声"欢迎"和"再见"中，也许会找到上面问题的答案。

你好 45纳米

对于45纳米，让我们借用Intel资深架构经理赵军先生的一段介绍：什么45纳米(nm)生产工艺或者制程 ? 45纳米不是指的芯片上每个晶体管的大小，也不是指用于蚀刻芯片形成电路时采用的激光光源的波长，而是指芯片上晶体管和晶体管之间导线连线的宽度，简称线宽。半导体业界习惯上用线宽这个工艺尺寸来代表硅芯片生产工艺的水平。

如上所述，我们不难知道，每一次制作工艺的更新换代都给新一轮处理器高速发展铺平了大道。因为线宽越小，晶体管也越小，让晶体管工作需要的电压和电流就越低，晶体管开关的速度也就越快，这样新工艺的晶体管就可以工作在更高的频率，随之而来的就是芯片性能的提升。

于是，对于45纳米制程技术，业界表示了一致的欢迎与认可，因为45nm制程对芯片的影响是巨大的。

应用45纳米制程后，Intel可以大大降低芯片功耗，同时芯片中可集成更多的晶体管–要知道45nm芯片的密度是65nm芯片的两倍：如前所述，45纳米Penryn双核处理器，将拥有4亿多个晶体管，45纳米四核处理器的晶体管数量更多达8亿多个。

同时，因为45nm芯片的转换电压更低，因此整体的处理器功耗并不会出现较大增长，同时，因为采用了新的材料，漏电将减少10倍，这也就是说，在保证芯片面积不变的情况下，每一块处理器都将拥有比之前更强的性能，而功耗将仍保持在较低水平上。

最为直观的的数据是：处理器面积减少25%，能耗成本降低了87%。

再见 65纳米

尽管我们在去年才看到65纳米处理器，尽管我们刚刚看到65纳米的产品成为主流，甚至很多用户才刚刚知道65纳米代表着什么，但是，当2007年11月来临的时候，"65纳米"已经不是我们这个时代的芯片产业最新最热的名词了。

从我们刚才的介绍可以看出，45纳米制程将能够为处理器制造带来许多好处，除此以外，65纳米产品的最高频率也被固定在了3GHz，当频率超过3GHz后，功耗将会出现明显的增长，而45纳米制程的处理器，频率将达到4GHz，从3GHz到4GHz，对于面积相同的双核或四核处理器来说，性能将获得进一步提升。事实上，新的45纳米工艺的处理器芯片面积还将由65纳米工艺的143mm2缩小至107mm2，但其所集成的晶体管数量将增加近一半。

其实，早在Intel刚刚宣布65纳米晶圆研制成功的时候，45纳米的计划就已经被工程师们提上议事日程了，而当65纳米开始量产，正式进入市场的时候，45纳米晶圆的也几乎同时诞生了。

对于我们将告别65纳米的日期和进程，Intel是这样说的：随着45nm处理器的量产，65nm产品将逐步退出市场，到08年四季度，45nm产品的市场份额将会与65nm产品形成交叉点，而在随后的一到两个季度内，45nm产品将占据市场主流。

你好 High-k

在制造技术上，45纳米处理器远远不止制程缩小这么简单。

这次Intel发布45纳米处理器，我们常看到人们提起High-k，那么，什么是High-k？High-k又做何用呢？

在制造处理器时，需要用特殊材料来作为阻隔栅极和下层的绝缘体，称为栅极介电质，它应该可以很好的分隔栅极和晶体管的其他部分，而且需要很高的介电常数和很好的场效应特性。可以说，这种材料几乎是一块处理器的命脉之一。

在新的45纳米处理器上，Intel采用了新的High-k（k为一种材料的属性，高k材料将提供很好的场效应，而这也正是Intel所需要的）材料–金属铪的一种氧化物，并设计了金属材料栅极，这也是Intel首次在处理器中使用这两种技术。当前使用的多晶硅门（Polysilicon Gate）将被一个金属栅极门代替，而基座与晶体管之间的二氧化硅层也将被一个High-k材料薄膜所取代。

Intel的手册中指出，得益于新的材料和技术，运用新的High-k材料和金属材料栅极可以将电流提升20%，这反映到性能上也就是约20%的性能提升。与当前的酷睿2桌面处理器相比，采用新技术的Penryn处理器在源极漏极的电流泄露将减少5倍，而栅极介电质的电流泄漏将减少10倍。

由于大量减少了漏电问题，晶体管的大小因此可以继续缩小，因此可以说High-k栅极介电质+金属材料栅极造就了45纳米处理器，换句话说，如果Intel的技术人员没有找到金属铪的氧化物或是制造栅极的新金属材料（这种技术材料到现在还是个商业机密。），可能我们今天就看不到45纳米处理器了。

再见 材料硅

首先要声明的是，我们并不是说材料硅从此淡出芯片产业，只是在45纳米处理器中，有两个重要的地方的材料硅被更好的材料所取代了。

Intel为了提升处理器性能，需要把晶体管的尺寸缩小到原来的一半。现在的工艺已经将晶体管的组成部分做到了几个分子和原子的厚度，组成半导体的材料已经达到了它的物理电气特性的极限。最早达到这种极限的部件是组成晶体管的栅极氧化物–栅极介电质：材料硅数十年来一直统治着晶体管产业，晶体管的材料在过去将近四十年没有太大的变化：在晶体硅衬底上的栅极是多晶硅，栅极介电质是二氧化硅。

在上一代65纳米工艺的晶体管中的二氧化硅层已经缩小到只有前者的十分之一，仅只有5个氧原子的厚度了。作为阻隔栅极和下层的绝缘体，二氧化硅层已经不能再进一步缩小了，否则产生的漏电流会让晶体管无法正常工作，如果提高有效工作的电压和电流，会使芯片最后的功耗大到惊人的地步。

从65纳米开始，Intel已经无法让栅极介电质继续消减变薄，而且到45纳米，晶体管的尺寸要进一步缩小，源极和漏极也靠得更近了，而如果不能解决漏电问题–摩尔定律也许就此终结。

好在Intel找到了解决办法，就是上面所说的，High-k栅极介电质+金属材料栅极，因此，我们将不得不和作为栅极的多晶硅以及作为栅极介电质的二氧化硅说再见了。

你好 环保的处理器

今年8月，Intel公司发布了发布了题为"树立全球责任的典范"的《英特尔 2006 年企业责任报告》，展示了英特尔在经济、环境、社会、企业治理和员工福祉等方面所履行的企业社会责任承诺以及所取得的成绩。

在这份报告中，Intel尤其提到其正在研发和推行低能耗、无铅、无卤素的环保产品，以争取更高的环境绩效。

其实，我们从一款小小的处理器上也可以略窥一二。

更佳的性能/能耗比

新的45纳米处理器在取得更高运算性能的同时，极大减少了漏电，从而功耗进一步下降，芯片散热问题也得到了极大改善。

某款应用了45纳米处理器的服务器在vconsolidation的虚拟化测试中，相对于65纳米四核性能提高超过20%。同时芯片栅极漏电90%的减少、功耗30%的下降，还将带给服务器整体能耗的下降。这就使用户在获得高性能的同时，有效降低能耗，进而大幅降低用户TCO成本。

对于服务器来说，45纳米处理器为我们带来了更好的性能和更低的功耗，在保持功耗不变情况下，能获得更高的运算能力;而在保持运算能力不变的情况下，则可以降低服务器的功耗。由于45纳米处理器比65纳米处理器的芯片面积更小，也就是说，单位面积上的计算能力增强了，但是能耗却降低了，当然，也可以理解为，单位能耗上的计算量更大了。

如果套上最近流行的一句话：降低了（数据中心）的碳排放。

企业态度：无铅化设计

几乎所有的人都知道，铅，这种曾经遍布金属制造业的金属对人体所造成的损害，而"洋垃圾"等废旧电子器件中的铅污染问题更是屡屡见诸报端。

自2002年开始，Intel就已经在注意其电子产品中的铅问题，并推出了第一个采无铅方式制造的闪存产品，2004年起，Intel出货产品含铅量已较前一代微处理器和芯片组封装大幅减少95%。

在新一代45纳米处理器中，Intel将采用100%无铅设计，并保证在今后Intel处理器产品中将全部采用100%无铅设计，以避免造成铅污染。对于65纳米处理器，虽然将逐步为45纳米处理器取代，但是Intel将仍然全面采用100%无铅技术。

或许，我们能够从枯燥的数据与技术中，看到Intel企业责任报告中的"企业责任"。

再见 高功耗时代

Gartner在最近一份研究报告中指出，数据中心二氧化碳排放量的增长速度明显高于其他领域，运行和冷却数据中心所需要的能源已经占到了全球信息和通信产业的四分之一。Gartner负责调研业务的副总裁说，减少数据中心二氧化碳排放量没有引起足够的关注，企业应当保持数据中心二氧化碳排放量不会增长。

对于数据中心的能耗问题，美国环境保护局甚至跑出来积极呼吁采用新的方法来度量数据中心以及服务器等系统的能效，政府应该在采用和报告这些测量标准的过程中起到带头作用。

因为他们发现，新的方法来度量数据中心以及服务器等系统的能效，政府应该在采用和报告这些测量标准的过程中起到带头作用。

而在数据中心中，处理器占到服务器能耗的30％，同时，处理器的散热所造成的冷却需求也非常巨大，而冷却需求的背后，仍然后需要不停供给的电能，但正如我们上面所说的，45纳米处理器所带来的最主要的好处就是：功耗更低了，计算能力更强大了，数据中心，更绿色了。

你好 摩尔定律

即使摩尔定律已经与我们见过很多次面了，但是在此，我们仍要向它问声："你好。"

摩尔定律，就像Intel的信仰，Intel的员工们一直坚信着这个由公司创始人之一的戈登摩尔先生所做的伟大预言：集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。这个发表在1965年4月19日出版的《电子学》杂志上的看似简单的预测，却主宰了Intel近半个世纪的发展。

在博客文章中，杨叙谈到："20多年前–1986年我加入英特尔的时候，英特尔刚刚推出386微处理器，它拥有27万5千个晶体管，大约是英特尔早期的4004处理器的100 多倍，当时已令人嗟叹不已。"但是，现在的45纳米Penryn双核处理器，将拥有4亿多个晶体管，45纳米四核处理器的晶体管数量更多达8亿多个。

对此，这个Intel中国区的掌门人发出惊叹："这再一次印证了摩尔定律关于集成电路中晶体管数量成倍增长的伟大预测，而从整体来看，处理器的性能越来越高、功耗越来越低，科技的进步着实令人惊叹不已！"

这就是摩尔定律，即使有朝一日晶体管技术的发展瓶颈会让我们不得已寻找新的出路，但是，这个主宰了世界芯片产业已近半个世纪的预言，将永远在芯片产业的历史上，留下自己的丰碑。而无论是45纳米，High-k，或是无铅设计，将成为摩尔定律埋植在我们身边的一丝永恒记忆。

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