土老冒谈硬件 带你深入了解45纳米制程

●　又到新品发布时 11月12日45nm Penryn将震撼登场

　　Z博士：嗨，土老冒，终于让我逮着你了，往哪儿跑，赶紧给我站住！

　　土老冒：俺哪里跑了？俺只是有点忙而已！

　　Z博士：少跟我狡辩，你忘了今天是你新一期《土老冒谈硬件》上线的时间了吗？还跑，耽误了栏目，不怕被网友口水淹死？

　　土老冒：啊！你不说俺差点忘了，Z博士真是太感谢您了，老土我最近确实事情比较多，差点把这件重要的事忘记了，对不起对不起！

　　Z博士：我说老土，你最近都忙啥啊？整天不见踪影，你不会忙着去炒股吧？最近股市可不太靠谱，再说你好像也没有多少钱投资股票。

　　土老冒：博士啊博士，您怎么就知道玩股票呢？最近发生很多大事您没关注过？

　　Z博士：什么大事？我倒要听听！

GeForce 8800GT的发布拉开了2007年第四季度硬件发布盛宴的序幕

　　土老冒：1、10月29日，NVIDIA全球发布GeForce 8800GT，以中端显卡的价格带来了GeForce 8800显卡的性能，并且将核心制程过渡到65nm。

　　2、11月2日，NVIDIA CEO黄仁勋访华。

　　3、11月12日，英特尔将领先全球发布45nm制程的Penryn处理器。

　　4、11月中旬，AMD将发布Spider平台，包括基于K10架构的Phenom X4处理器、RD790主板以及RV670显卡。

　　这么多重要的事，您说俺能不忙吗？

　　Z博士：你不提醒我，我还真没关注这些事情呢。呵呵，忙得怎么样了啊？有没有需要帮忙的地方？

土老冒今日带你深入探索Intel 45nm Penryn

　　土老冒：当然有！俺最近对英特尔即将发布的45nm Penryn产生了极大的兴趣，不过45nm到底有多大，它到底领先在哪里，要不博士今天就跟我们谈一谈与45nm制程有关的吧。

　　Z博士：45nm……这个的确值得一提，好吧，我们今天就围绕英特尔即将发布的45nm Penryn来谈谈吧。

●　趣味解释 45nm到底有多小？

　　土老冒：博士您先告诉我45nm到底是个什么概念，俺知道它很小很小，但它到底小到一个什么程度，我想这是所有网友都想知道的！

　　Z博士：十亿纳米等于一米。英特尔官方是这样描述45纳米大小的：

★ 1947 年由贝尔实验室研发的最初的晶体管可以被握在手中，一个红细胞表面可以放置几百个英特尔全新45纳米晶体管。

★ 如果一座房屋按照晶体管缩小的速度来缩小，那么不用显微镜的话，您根本无法看到这座房屋。同样，您需要使用非常先进的显微镜才能看到 45 纳米晶体管。

您是否做过一辆汽车只卖1分钱的梦？

★ 英特尔即将问世的其中一款下一代处理器（代号为 Penryn）中的每个晶体管的价格将是1968年每个晶体管平均价格的百万分之一。而如果汽车价格也以相同速度降价的话，那么现在每辆汽车的价格就大约是1分钱。

★ 在人类的一根头发上可以放置 2000多个45纳米晶体管。

★ 一个直径约150万纳米（1.5 毫米）的针头上可以放置3000多万个45纳米晶体管。

★ 在这句话结尾的句点处（估计是十分之一平方毫米的面积）可以放置200多万个 45 纳米晶体管。

★ 一个45纳米晶体管每秒钟可以接通或断开约3000亿次。在每次接通和断开45纳米晶体管所用的时间内，一束光穿行还不到十分之一英寸。

　　土老冒：说实话，这个解释还是不太明确，俺心里边还是没有一个明确的概念，能举个例子说明吗？

　　Z博士：这样解释可能你会更容易理解

★ 一个钉子 = 2,000万纳米
★ 一根头发 = 90,000纳米
★ 豚草花粉 = 20,000纳米
★ 一个细菌 = 2,000纳米
★ 一个英特尔 45 纳米晶体管=45纳米
★ 一个鼻病毒 = 20纳米
★ 一个硅原子 = 0.24纳米

45纳米大约相当于一根头发的1/2000

　　你啊，头发你有概念吧？一根头发大约等于90000纳米，也就是说，45纳米大约等于头发的1/2000！

　　土老冒：这下基本上有个概念了，的确小得惊人啊！

　　Z博士：可不是么，经过这一番解释，你终于知道45纳米有多小了吧？是不是感叹科技进步的速度如此之快呢？不过啊，目前只有英特尔推出了基于45纳米制程的半导体产品。在半导体制程技术上，英特尔总是领先业界一年。

　　土老冒：博士，我讨厌你拍英特尔的马屁，我们要支持AMD，网友都说了，没有AMD，我们就买不起价格实惠的处理器！你这个“枪手”，我算是看透你了！

　　Z博士：老土啊，你这人怎么就这么“愤青”呢？我已经说得很清楚了，英特尔领先整个行业一年，这里的“整个行业”并不仅仅是指AMD，其中还包括众多内存芯片生产厂商以及其它芯片厂商，“行业”涵盖的范围非常广泛，当然也包括为NVIDIA以及AMD（ATI）的GPU提供代工服务的台积电和联电。我们要承认事实，英特尔于2005年年底过渡到65nm制程，当时的桌面级产品是奔腾4 6X1和奔腾D 9XX系列，而AMD的65nm处理器推出的时间是2007年第一季度，这些事实难道是我编造的？

　　土老冒：算了，不争了，总之啊，我希望您客观一点，别一个劲拍英特尔马屁，俺承认它领先业界一年，行了吧？

●　成本降低25% 45纳米制程优势初探

　　Z博士：我呀，看你似乎特别勉强，你是A饭I饭还是N饭我都不管，我只用事实来说话。45纳米的大小你也基本有了一个概念了，那么你知道为什么这些半导体厂商都乐此不疲地花费重金来更新制程到底是为什么吗？你可知道，更新一次制程需要多大的投入？

　　土老冒：对啊，为什么？要不断更新，难道就是为了使核心更小？

　　Z博士：当然不是，不断更新制程，可以带来很多好处。

　　首先，它可以节省大量成本。更新到45纳米制程，其双核处理器的核心面积仅为107平方毫米，比目前65纳米制程的双核处理器小了25%，这就意味着，以前我们在同样大小的晶圆上可以切割4个处理器核心，更新工艺后可以切割5个，成本得到了大大减少！

尽管从外观无法看到内核的状况（左为45纳米QX9650）
但45纳米制程将核心面积缩小了25%

　　土老冒：那除了可以节省成本外，对性能提升有帮助吗？毕竟成本这东西，只是厂商关心的，用户更关注的是性能是否得到提升！

　　Z博士：制程的更新，可以在更小的芯片上容纳更多的晶体管。NVIDIA GeForce 8800GT上的G92核心采用了65nm制程，相对于90nm的G80核心，晶体管数量从6.81亿提升到了7.54亿，幅度达到了10.7%！而英特尔45纳米的Penryn四核酷睿2处理器晶体管数量将达到8.2亿，比目前的5.8亿提升了41%！

　　土老冒：增加了那么多晶体管，到底有什么作用？俺可不想听到因为晶体管的增加带来功耗增加的坏消息！

　　Z博士：这一点你大可以放心，目前不管是英特尔还是AMD都特别重视“每瓦性能比”这个概念。以桌面级别的最高端型号Core 2 Extreme QX9650来说，它的TDP与65纳米的QX6850同样为130W，但由于二级缓存从8MB升级到了12MB，因此在保证热设计功耗不增加的情况下提升了性能。而移动平台上的45纳米处理器还具备一种称为深层关机技术的全新高级电源管理状态，该状态可显著降低处理器空闲期间的功耗，从而消除内部晶体管漏电流的影响，延长了笔记本电脑电池使用时间。这对需要经常移动办公的用户是非常有意义的。

　　土老冒：您刚刚说了45纳米的处理器二级缓存又增加了？增加到多少了？二级缓存的增加有什么好处吗？

QX9650的二级缓存提升到了12MB

　　Z博士：根据我们获得的信息，45纳米的双核酷睿2处理器，二级缓存从4MB升级到了6MB，四核处理器则由8MB升级到了12MB。二级缓存的增加，可以非常明显地提高系统性能，减少响应时间，这个我们不是在第一期的土老冒中就探讨过了吗？

　　土老冒：经过您这么一介绍啊，俺对45纳米也有了一个初步的认识。俺知道，从65纳米更新到45纳米，并不是简单地增加芯片的集成度，肯定还要通过很多方法，否则是没有可能将更多的晶体管塞进更小的空间的。您一定还有什么秘密要透露吧？或者说英特尔为了实现45纳米制程，采取了哪些特殊的手段？

●　从基础谈起 漏电现象影响制程更新

　　Z博士：当然有啊，现在我们所知的就是“高-k栅介质和金属栅极”这两个技术，据说它们是英特尔进军45纳米的保障。不过这个解释起来就非常枯燥了，估计你是没耐心听的。

　　土老冒：你怎么就知道我没耐心听啊？我还偏要听，赶紧告诉我！

　　Z博士：这得从晶体管技术的局限说起。尽管我们今天看来，摩尔定律仍然发挥着它的效力，但实际上它却受到了很大的阻碍。由于晶体管技术的不断进步，芯片核心的不断缩小，其集成度总是不断地提高。晶体管发热和电流泄露的问题开始变得越来越严重，如何解决这个问题是半导体厂商一直以来最头疼的事情。

　　土老冒：等等，您先告诉俺什么是晶体管吧，否则俺越听越头疼。

晶体管之父——肖克利博士（William Shockley）

　　Z博士：关于什么是晶体管，解释起来又非常麻烦，我建议大家去百度百科里自己学习，相关知识请点击此处，总之可以将其看作是芯片的“细胞”。

　　利用晶体管的导通状态和断路状态就可以处理电子数据中的“0、1”。一个基本的晶体管包括栅电极、源极和漏极，电流是否能从源极到漏极，栅电压的高低主宰着一切。

　　土老冒：我听不懂！能不能说得简单点？

　　Z博士：……这样吧，我们可以将源极和漏极看作是电路的正极和负极，栅电压就是连接它们的开关，当栅电压低的时候，开关断开，源极和漏极之间的电流不能相互结合；而当电压高的时候开关就闭合，电流就能从源极到漏极。

　　土老冒：大概听得懂一些了，不过您给我们讲这些，有什么用呢？它与45纳米技术有关系吗？

　　Z博士：将这些主要是要引出“漏电”这个概念来。我们经常在一些介绍CPU的文章中会发现“漏电”这个词语，它到底是什么意思呢？

　　土老冒：不会是因为栅电压出了问题吧？

晶体管结构简图

　　Z博士：不仅仅是这样。听好了：源极中一般会包含一种掺杂了某些降低电阻杂质的硅（通常叫做涂层硅），晶体管中的电流由它产生。同样的，漏极中也有这种杂质，漏极中的这种杂质是电流的流向部分。晶体管是对称的，电流可以从源极到漏极，也可以从漏极到源极。

　　而源极和漏极之间的栅电极则是由多晶硅或者原子随意排列且不形成网格状结构的硅构成的，它的电流状态决定着晶体管是否打开。源极和漏极之间有一个晶体管结构的硅构成的通道，当晶体管处于打开状态时，电流流经这个通道。

　　土老冒：接下来呢？

　　Z博士：栅电极下方有一种用于隔离栅电极和通道的栅介质，这种介质通常包含二氧化硅。在理想状态下，栅介质是一种完美的绝缘体，在栅电极增加电压时电流就会通过，反之，电流就不能通过。不过事实总会与理想状态不一样，因为在不加电压的情况下可能也会有微弱的电流通过栅介质，这就是我们通常所说的“漏电”。

●　步入45纳米的保障之一——高-k栅介质

　　土老冒：原来如此，这下终于把漏电的概念搞清楚了。我想博士给我们解释这些，应该是要提一提英特尔在45纳米技术上引入的“高-k栅介质”了吧？

　　Z博士：是的。在过去的40多年时间里，栅介质都是由氧化硅来制造，但随着制程的提升，氧化硅已经被加工得越来越薄，65纳米制程中的氧化硅栅介质已经被缩小到了1.2纳米，这就导致漏电现象越来越严重，已经开始影响到晶体管的正常工作，最严重的情况可能导致晶体管出现逻辑错误。

　　土老冒：我想，“高-k栅介质”就是为了解决这个问题而诞生的吧？

高-k介质与传统氧化硅厚度的对比

　　Z博士：对的，过去10年来，摩尔定律受到的最大挑战就来自于越来越薄的氧化硅栅介质导致的漏电现象。为了解决这个问题，英特尔在栅介质中采用了比氧化硅介质更厚的、基于铪的“高-k栅介质”，以此来取代氧化硅，英特尔表示这种技术可以将漏电量减少10倍！

　　土老冒：“铪”是什么东西？

　　Z博士：这是一种稀有金属，具体什么材质你还是去问问化学老师吧，呵呵，我们只需要知道它是一种稀有金属就行了。

稀有金属——铪

　　土老冒：那为什么英特尔会将基于“铪”金属的栅介质称作“高-k栅介质”呢？

　　Z博士：“K”是指介电常数。氧化硅栅介质的介电常数为4～5，而铪制造的高-k栅介质的介电常数可以达到25以上，因此叫做“高-k”。

　　土老冒：真厉害，它到底是怎么实现的呢？

　　Z博士：呵呵，这个问题英特尔就没有透露了，毕竟这是商业机密，如果随便透露出来，那不是人人都能做CPU了啊？

　　土老冒：算了，反正说了俺也不懂。总之，采用高-k栅介质可以增加栅介质层的厚度，明显降低栅电极漏电现象对吧？不过俺估计它还是无法做到完全避免漏点现象，嘿嘿。

　　Z博士：得了吧你，技术每进步一点都是需要付出很大的努力的，就像你考试一样，也许从60分提升到80分很容易，但从90分提升到95分就很难很难。这是同样的道理。

●　步入45纳米的保障之二——金属栅极

　　土老冒：知道啦，您又教训我！“高-k栅介质”介绍完毕了，下面俺想听听另外一个东西“金属栅极”，这又是什么？

　　Z博士：高-k栅介质尽管很好，但它与多晶体硅栅电极相结合时会产生两个副作用。第一种是阈值电压钉扎效应，在栅介质和栅电极边界处会受到影响，导致阈值电压不能调节到一个较理想的低水平（低电压是高性能晶体硅所必需的）。第二个副作用是声子散射，它会影响电子的移动性，降低晶体管的性能。英特尔为了解决这两个副作用，用了一种特定的金属制成的栅电极取代多晶硅栅电极。

　　补充：阈值是指释放一个行为反应所需要的最小刺激强度。低于阈值的刺激不能导致行为释放。在反射活动中，阈值的大小是固定不变的，在复杂行为中，阈值则受各种环境条件和动物生理状况的影响。（资料来自百度百科）

今年旧金山举行的IDF上，欧德宁现场解析45纳米制程技术

　　在晶体管正常工作的情况下，多晶体硅栅电极和栅介质交接的地方会形成一个很薄的耗尽导电信号区，它会导致栅介质的有效厚度增加，从而导致通电时的源极—漏极电流下降，断开状态下的源极—漏极电流增加，这并不是我们想看到的。

　　而使用英特尔特定金属制成的栅电极能够消除耗尽区，增加栅场效，从而提升通电时的电流，降低断开状态下的电流。

45纳米处理器中的高-k栅介质和金属栅微观图

　　土老冒：听起来似乎不错，能透露下这种特殊的金属栅极到底是怎么实现的吗？或者它都采用了什么材质？

　　Z博士：这个英特尔是保密的。因为它们是最新型最尖端的核心技术，它们只透露高-k栅介质和金属栅极的原材料有数百种，而且需要一定的制程技术才能实现，英特尔虽然自己在45纳米制程上引入了这两项技术，但是它们估计其它公司需要在32纳米制程时才能将其引入。

　　土老冒：看来英特尔的技术实力确实雄厚啊，只要它们的45纳米处理器价格够便宜，消费者一定会买单的。除了高-k栅介质和金属栅极外，45纳米处理器上还有什么新技术或者是亮点呢？

●　倡导环保 45纳米处理器步入无铅时代

　　Z博士：技术很多，我打算留到后面来一个一个讲。这里先谈谈另外一个事情。英特尔表示，在45纳米制程的处理器上，将实现处理器的无铅化。

　　土老冒：无铅？这个概念倒是在板卡上炒得比较热，难道CPU的制作过程中也会用到铅吗？

　　Z博士：当然。铅被广泛的使用在多种微电子产品的封装中，包括连接英特尔芯片到封装的凸焊点中都在使用铅。由于处理器技术非常尖端，国际环保组织特别赦免了世界上的处理器制造商可以在CPU封装时使用铅。目前，英特尔所生产的处理器中，含铅的成分大约占5%，约0.2g，它存在于第一层连接的铅焊料之中，正是这些焊料连接着芯片和封装底层。

英特尔在45纳米上实现了无铅封装

　　但铅这种金属始终对人有害，通过研究，英特尔找到了一种替代材料（一种采用锡、银、铜的合金），并计划在45纳米处理器上首次使用无铅封装，到2008年，英特尔的所有处理器，包括服务器端、笔记本端和桌面端，包括65纳米和45纳米，都将全线过渡到无铅封装，这无疑是对环保的一种贡献。

　　土老冒：似乎国内用户更关注性能，有铅无铅都无所谓了，反正都用了那么多年了。

　　Z博士：老土你的眼光为什么就不能长远点呢？无铅化肯定是未来的趋势，英特尔首先在CPU上实现了无铅封装，其它处理器供应商肯定也会在未来加入到无铅阵营中的，毕竟有害的物质，我们都不希望它长期与自己相伴。不管怎么说，在处理器上实现无铅封装具有划时代的意义。

　　土老冒：行了吧，俺知道要剔除掉处理器上剩余的0.2g铅同样如同考试从90分提升到95分一样困难。不过俺更关心性能上的表现，快说说45纳米处理器还有哪些令人期待的牛X技术！

　　Z博士：其实45纳米制程的一些基本技术已经讲解完毕了，总结起来主要有三个亮点，那就是高-k栅介质、金属栅极、无铅工艺。下面我们看看首批45纳米酷睿2处理器还有哪些新的技术。

●　45纳米Penryn处理器六大特色技术解析

　　首先是SSE4指令集。送达ZOL评测中心的Core 2 Extreme QX9650处理器在1.41版的CPU-Z中识别出了SSE4指令集（软件识别为SSE4.1），我们知道，SSE指令集可以有效地提升处理器在多媒体应用（主要是视频制作、图片处理和一些高性能软件）中的优势。SSE4指令集是自最初SSE指令集架构（ISA）推出以来添加的最大指令集。这扩展了英特尔®64指令集架构，提升了英特尔处理器架构的性能和能力。

送达ZOL评测中心的QX9650处理器支持SSE4指令集

　　其次是面向单线程应用的英特尔动态加速技术增强性能，这个技术被应用在了移动平台的45纳米Penryn处理器上。英特尔对其的描述是：当一个内核处于空闲状态时，该增强特性可利用该内核释放的性能扩展空间，来提升另一个仍处于激活状态的内核的性能。这就好比一个淋浴器有两个喷头，当关掉其中一个时，另一个的水压（性能）就会增大。

　　第三是增强型虚拟化技术。英特尔表示，45纳米的Penryn处理器平均可以将虚拟机转换的速度提升25%～75%，值得一提的是，这个提升不用通过修改虚拟机的软件系统，而是纯粹通过CPU的性能来实现。这样可以对单个计算机进行虚拟分区，使其运行不同的操作系统和软件，从而更充分地利用多核处理能力。

　　第四是快速数字相除技术。45纳米Penryn处理器引入了速度更快的全新相除技术——Radix 16，它可以提高指令和命令除法的速度，从而提高计算性能。

　　第五是独特的超级Shuffle引擎。它通过实施全宽、单通道、128位的Shuffle单元，在单个周期内执行全宽Shuffle。这样可以大幅度提升SSE2、SSE3、SSE4等指令的性能，提高视频制作、图像处理的计算性能。

　　除了这些以外，我们前面提到的45纳米处理器拥有更大的二级缓存也可以算作是新的改变。

　　土老冒：似乎您还有一个没有提到哦，每次制程的提升，处理器的超频能力就会相应的提升，这已经在05年底英特尔刚刚切换到65纳米的时候得到了验证，俺想知道45纳米的Penryn是否比目前的酷睿2拥有了更强的超频能力。

45纳米酷睿2处理器达成6GHz主频

　　Z博士：当然。这点在IDF上就已经得到了验证，当时英特尔四核处理器在5.56GHz的主频下打破了七项世界纪录（点击查看），而在10月中旬，新加坡著名超频玩家用富士康的P35主板达成了6GHz的主频，这个频率在65纳米制程的酷睿2上是无法达到的。

·●　45纳米处理器发布时间及价格一览

　　土老冒：那还不错，那么，英特尔首批推出的45纳米处理器都有哪几款呢？分别面向什么平台？价格怎么样？

　　目前共有15款45纳米产品列入生产计划，包括双核和四核台式机处理器、双核移动处理器以及全新双核和四核服务器处理器。面向更高端服务器多处理系统的处理器目前正在研发之中。而今年我们将见到一款45纳米桌面级四核处理器，那就是目前已经送达我们ZOL评测中心的Core 2 Extreme QX9650，到明年一月，将有多达8款桌面级的45纳米酷睿2处理器和我们见面，当然，在第一季度，主频高达3.2GHz，前端总线为1600MHz的至尊版QX9775也会正式发布。

首批上市的45纳米桌面级酷睿2处理器列表（可点击放大）

　　土老冒：俺看到，除了QX9775外，其他产品的前端总线还是1333MHz，主频从2.5GHz～3.2GHz，二级缓存则分别为6MB和12MB。

　　Z博士：你观察得很仔细，讲到这里，似乎我们今天的土老冒谈硬件也差不多该结束了。还有什么需要补充的吗？

　　土老冒：当然了，相信网友和俺一样，都想知道什么样的主板才能够搭配45纳米的产品。

　　Z博士：这个嘛，英特尔御用的主板芯片组当然是“3”系列，如P35、P31、G35、G33、G31、X38，明年一季度发布的X48肯定也会提供支持。当然，部分高端的P965主板同样可以支持45纳米处理器，如技嘉的P965-DQ6、华硕的Commando，通过刷新BIOS它们一样可以支持45纳米Penryn，各位网友可以到各大主板厂商的官方网站去查询。

　　土老冒：那么45纳米后又将是什么呢？32纳米吗？它又将带来什么新鲜的元素？

保罗·欧德宁现场展示32纳米制程的300mm晶圆

　　Z博士：按照计划，2008年将是英特尔架构更新的一年而不是制程更新的一年。明年，Core架构将与我们说再见，取而代之的是Nehalem架构，其具体规格也在今年的IDF中有所曝光，不过我觉得还是以后再慢慢解释吧。当然，32纳米制程早已在英特尔计划中，今年旧金山的IDF上，英特尔首席执行官保罗·欧德宁现场展示了基于32纳米制程的300mm晶圆。

　　土老冒：好吧，终于解释全面了，今天您也累着了，俺请你喝茶吧，喝茶有益健康，别喝可乐了，碳酸饮料冬天喝着不舒服。走……

　　Z博士：慢着，上期栏目，网友留言中提出的问题还没有回答呢！

礼品：NVIDIA芯片钥匙扣

　　土老冒：这个你放心吧，一位热心的网友已经替我们回答了，为了表示对他的感谢，俺送一个NVIDIA芯片钥匙扣给他，这钥匙扣很不错哦……不是有钱就能买到的。

　　Z博士：不错，也送我一个吧！

　　土老冒：只有一个……

土老冒谈硬件第七期 简析固态电容的利与弊