2012年4月23日，英特爾宣布采用3D三柵極晶體管設(shè)計(jì)，最小線寬為22納米的Ivy Bridge微處理器量產(chǎn)成功，并于4月29日開始全球銷售。
據(jù)公布的資料顯示，該系列CPU擁有14億只晶體管，芯片面積僅為25毫米×25毫米，由于首次采用了3D三柵級(jí)晶體管工藝技術(shù)，使芯片能夠在更低的電壓下運(yùn)行，并進(jìn)一步減少了晶體管的漏電流，與之前的32納米中2D晶體管CPU相比，在低電壓工作模式下開關(guān)速度提高了37%，功耗降低50%，比采用22納米平面晶體管的同類CPU功耗降低了19%。
這確實(shí)是一項(xiàng)新的大跨度技術(shù)進(jìn)步，標(biāo)志著Intel公司不愧是世界半導(dǎo)體制造技術(shù)的領(lǐng)頭者。自2011年5月4日英特爾公司正式公布將用3D三柵級(jí)晶體管設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行Ivy Bridge微處理器量產(chǎn)計(jì)劃以來，到此次Ivy Bridge微處理器產(chǎn)品的正式批量上市，其經(jīng)歷了近一年的時(shí)間。
為什么“3D”前還要再加上“三柵級(jí)（Tri-Gate）”晶體管這一稱謂呢？這正是本次工藝改進(jìn)的關(guān)鍵之處。相對(duì)于以往的平面型晶體管模型結(jié)構(gòu)工作方式，本次變革主要體現(xiàn)在由以往的僅在底部區(qū)域的“1”個(gè)平面形“柵極”，發(fā)展成了立體結(jié)構(gòu)的“3”個(gè)平面形狀的“柵極”，控制電流同時(shí)從該立方體形狀的柵極3個(gè)面（兩側(cè)和頂部）同時(shí)對(duì)晶體管的源極和漏極的通斷電流進(jìn)行控制，所以稱為“三柵極”晶體管。這樣的“三柵極”結(jié)構(gòu)形狀就像一本書，原來是“平躺著放置的”，現(xiàn)在變成了“立起來放置”。與以往平放的“1個(gè)面”的柵極晶體管相比，既節(jié)省了芯片面積，也減少了晶體管的漏電流，提高了開關(guān)速度。從而極大地提高了CPU的性能，降低了功耗，提高了單位面積上的集成度。
3D工藝眾說紛紜
英特爾：Fabless模式或到窮途末路
4月26日英特爾制程技術(shù)部門的主管Mark Bohr在Ivy Bridge處理器發(fā)布會(huì)上指出，F(xiàn)abless（無晶圓廠）半導(dǎo)體經(jīng)營模式已經(jīng)快到窮途末路。他認(rèn)為，臺(tái)積電最近宣布只會(huì)提供一種20納米制程，就是一種承認(rèn)失敗的表示，顯然他們無法在下一個(gè)主流制程節(jié)點(diǎn)提供如3D電晶體所需的減少泄漏電流的工藝技術(shù)。同時(shí)，高通不能使用臺(tái)積電22納米的制程技術(shù)，晶圓代工模式正在崩塌。
Bohr認(rèn)為，此次Ivy Bridge處理器能夠研發(fā)成功，其秘訣之一就是來自于制程技術(shù)與晶片設(shè)計(jì)者之間的緊密關(guān)系，而這只有在IDM模式的工廠中才能實(shí)現(xiàn)。英特爾客戶端PC事業(yè)群新任總經(jīng)理Kirk Skaugen、Bohr和負(fù)責(zé)Ivy Bridge處理器的專案經(jīng)理Brad Heaney在主持問答會(huì)時(shí)一同做出了上述表示。“IDM模式制造產(chǎn)品，確實(shí)有助于我們解決生產(chǎn)Ivy Bridge這樣一款小尺寸、復(fù)雜元件時(shí)所遭遇的問題。”
據(jù)報(bào)道，當(dāng)下，業(yè)界也有不少人持類似這種觀點(diǎn)。EETimes美國版中有不少文章談到晶片設(shè)計(jì)業(yè)者與制程技術(shù)提供者之間，需要有更緊密的合作關(guān)系。一位來自Nvidia實(shí)體設(shè)計(jì)部門的負(fù)責(zé)人最近在Mentor Graphics的年度會(huì)，也強(qiáng)調(diào)了相同的論點(diǎn)。
臺(tái)積電：3D架構(gòu)在14納米之前并非必要
據(jù)報(bào)道，臺(tái)積電與GlobalFoundries的研發(fā)主管提出了很有說服力的研發(fā)數(shù)據(jù)例子，證明3D電晶體架構(gòu)在14納米制程節(jié)點(diǎn)之前并非必要。臺(tái)積電表示，20納米節(jié)點(diǎn)并沒有足夠的回旋空間來創(chuàng)造高性能制程與低耗電制程之間的明顯變化。
對(duì)于臺(tái)積電的20納米制程計(jì)劃，高通不發(fā)表評(píng)論。但高通在最近財(cái)務(wù)季報(bào)發(fā)表會(huì)上表示，該公司無法得到臺(tái)積電足夠的28納米制程產(chǎn)能以因應(yīng)其需求，目前正尋求多個(gè)新代工來源，并預(yù)期能在今年稍晚正式進(jìn)行28納米制造工藝委托下單。
ARM：3D晶體管不會(huì)改變產(chǎn)業(yè)格局
ARM公司的吳雄昂認(rèn)為，英特爾3D晶體管不會(huì)改變產(chǎn)業(yè)格局。吳雄昂說，F(xiàn)inFet/3D晶體管技術(shù)的開發(fā)涉及業(yè)界多家企業(yè)，該創(chuàng)新并不是英特爾獨(dú)有的。業(yè)界將在下一代產(chǎn)品中逐漸采用該技術(shù)，到那時(shí)該技術(shù)會(huì)被應(yīng)用于SoC設(shè)計(jì)。所以英特爾3D晶體管并不會(huì)給消費(fèi)電子或者移動(dòng)產(chǎn)品市場的競爭帶來變化。整個(gè)ARM生態(tài)系統(tǒng)在22納米節(jié)點(diǎn)上非常積極，并已經(jīng)開始投身20納米，而ARM也在積極開發(fā)針對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的IP。
在消費(fèi)電子和移動(dòng)產(chǎn)品領(lǐng)域，使用較之服務(wù)器和臺(tái)式電腦晚一代的工藝技術(shù)并不是一件新鮮事。但是在消費(fèi)電子和移動(dòng)產(chǎn)品領(lǐng)域，由于其市場規(guī)模以及產(chǎn)品價(jià)格的因素，一個(gè)成本、性能和功耗的最佳組合非常重要，代工廠的生產(chǎn)能力也非常重要。
3D工藝技術(shù)在最初的幾代產(chǎn)品中需要設(shè)計(jì)與制造之間緊密合作，探索完善設(shè)計(jì)流程。因此，暫不適用于高度集成的移動(dòng)片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而此系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前正在推動(dòng)著廣泛的半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)的創(chuàng)新。
吳雄昂指出，英特爾的這一技術(shù)與他們?cè)诠に嚿系膭?chuàng)新相一致。而ARM的創(chuàng)新則來自于生態(tài)系統(tǒng)，涵蓋工藝、微架構(gòu)和片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)計(jì)等多方面。
IBM:尋求材料解決散熱問題
IBM公司正在保密情況下進(jìn)行一種以更為成熟的3D技術(shù)進(jìn)行IC產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，其3D技術(shù)使用的是低密度硅通孔技術(shù)。據(jù)報(bào)道，該項(xiàng)技術(shù)目前的主要問題是散熱問題，預(yù)計(jì)在2012年底前解決這些問題。
另據(jù)報(bào)道，IBM已經(jīng)與3M公司合作，尋求一種材料來解決3D IC生產(chǎn)中面臨的散熱技術(shù)問題。3M的任務(wù)是創(chuàng)造一種適合堆疊裸片間使用的底部填充材料，這是一種電氣絕緣材料(像電介質(zhì))，導(dǎo)熱性比硅要好(像金屬)。 “現(xiàn)在我們正在做試驗(yàn)，到2013年希望開始廣泛的商用。”3M公司電子市場材料事業(yè)部技術(shù)總監(jiān)陳明說。
“擁有一技之長的年代已經(jīng)過去。”IBM公司研究副總裁Bernard Meyerson表示，如果僅依靠材料或芯片架構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)或軟件和集成，就可能無法贏得3D競爭。要想打贏這場戰(zhàn)爭，則需要盡可能全面地使用所有資源。
3D芯片堆疊并非最新技術(shù)
據(jù)報(bào)道，目前最先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)該是使用硅通孔的3D芯片堆疊，幾乎主要的半導(dǎo)體公司都在研究這種技術(shù)。
去年舉行的國際固態(tài)電路會(huì)議上，三星公開宣布了其2.5D技術(shù)，據(jù)稱這種2.5D技術(shù)非常適合位于在系統(tǒng)級(jí)芯片上進(jìn)行帶硅通孔和微凸塊的堆疊式 DRAM裸片。三星準(zhǔn)備把這種技術(shù)用在1Gbit移動(dòng)DRAM產(chǎn)品上，并計(jì)劃在2013年使移動(dòng)DRAM容量提高到4Gbit。
賽靈思公司推出了一種2.5D封裝工藝的多FPGA解決方案，這種工藝可在硅中介層上互連4個(gè)并排且?guī)⑼箟K的Virtex-7 FPGA。目前，臺(tái)積電也正在生產(chǎn)這種硅中介層，使用硅通孔技術(shù)重新分配FPGA的互連，臺(tái)積電已承諾將在2013年向其代工客戶提供這種轉(zhuǎn)換技術(shù)。
還有多家公司目前都在進(jìn)行3D IC生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)。Tezzaron Semiconductor公司為其鎢硅通孔工藝提供3D IC設(shè)計(jì)服務(wù)已經(jīng)有多年。Tezzaron的FaStack工藝可以從薄至12微米晶圓上的異質(zhì)裸片制造3D芯片。這種工藝具有針對(duì)堆疊式DRAM的寬 I/O特性，其亞微米互連密度高達(dá)每平方毫米100萬個(gè)硅通孔。
3D技術(shù)可以給芯片設(shè)計(jì)帶來許多新的想法。設(shè)計(jì)師必須采用不同的思維方式，以創(chuàng)新的方式組合CPU、內(nèi)存和I/O功能，這是每樣?xùn)|西只能在郵票大小的面積上并排放置不能做到的。
據(jù)有關(guān)資料，生產(chǎn)3D IC的技術(shù)并不是很新的技術(shù)，堆疊芯片想法本身可以追溯到1958年頒發(fā)給晶體管先驅(qū)William Shockley公司的早期專利。從那以后，業(yè)界已經(jīng)使用了許多堆疊式裸片配置方案。比如，將MEMS傳感器堆疊在ASIC之上，或?qū)⑿〉腄RAM堆疊在處理器內(nèi)核上等。
去年獲得EE Times年度ACE創(chuàng)新大獎(jiǎng)的Zvi Or-Bach則認(rèn)為3D IC設(shè)計(jì)師需要從硅通孔技術(shù)過渡到超高密度的單片3D技術(shù)。BeSang Inc聲稱正在制造無硅通孔的單片3D內(nèi)存芯片原型，并有望于2012年首次亮相。
據(jù)報(bào)道，目前有許多半導(dǎo)體協(xié)會(huì)都在研究制定3D技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國際半導(dǎo)體設(shè)備與材料組織(SEMI)有4個(gè)小組專攻3D IC標(biāo)準(zhǔn)。其三維堆疊式集成電路標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)包括SEMI成員Globalfoundries、惠普、IBM、Intel三星和United Microelectronics Corp.(UMC)以及Amkor、ASE、歐洲的校際微電子中心(IMEC)、亞洲工業(yè)技術(shù)研究院(ITRI)、奧林巴斯、高通、Semilab、東京電子和賽靈思公司等。
IC觀察:模式之爭，讓數(shù)據(jù)來說話
3D已經(jīng)成為半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)到達(dá)物理極限之后的必然趨勢，目前正處于3D工藝的探索期。
在這一過程中，以及今后在實(shí)現(xiàn)3D工藝的發(fā)展趨勢中，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式到底如何演義，會(huì)不會(huì)成為Fabless+Foundry這種發(fā)展模式的終結(jié)?可能最有發(fā)言權(quán)的還是那些身處產(chǎn)業(yè)前沿的一線公司的高管們。
不過，我們可以從對(duì)宏觀數(shù)據(jù)的分析中獲得對(duì)大趨勢判斷的一些基本方法。如果在今后的銷售額統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，以Intel為代表的IDM陣營銷售額增長快于以臺(tái)積電為代表的Foundry陣營，或者IDM陣營的銷售額增長快于以高通、ARM為代表的Febless陣營，則表明IDM模式暫時(shí)勝出。
即使IDM模式勝出也只能算是暫時(shí)的，因?yàn)?D工藝終將會(huì)走向成熟，過了目前的探索發(fā)展期后，還會(huì)是Fabless+Foundry模式勝出的。那時(shí)，F(xiàn)oundry廠家將能夠向Fabless公司提供更加穩(wěn)定的工藝參數(shù)。
這次的3D工藝探索期，在時(shí)間跨度上可能比上世紀(jì)70年代平面半導(dǎo)體工藝的探索期要短很多，畢竟今天的計(jì)算機(jī)和軟件科技水平已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新高度，這有助于縮短3D工藝的探索期和過渡期。
產(chǎn)業(yè)實(shí)際發(fā)展很可能出現(xiàn)這種情況：在這次3D技術(shù)跨越中，平面工藝也同時(shí)并行向前發(fā)展，兩者并存一段很長的時(shí)期。因此，有可能出現(xiàn)即使在3D探索期，IDM模式也難于勝出的可能性，因?yàn)镕abless公司完全可以憑借現(xiàn)有的平面工藝來進(jìn)行新應(yīng)用設(shè)計(jì)，在3D工藝不成熟前繼續(xù)進(jìn)行平面工藝 Foundry委托加工，一旦Foundry工廠有了成熟的3D工藝，則可以及時(shí)地用“零時(shí)間跨度”的方式轉(zhuǎn)到3D工藝委托加工方面。這樣在宏觀銷售統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，將很有可能看不到IDM陣營明顯高出Fabless陣營和Foundry陣營的情況。
當(dāng)然，后續(xù)如何演義，只有用兩大陣營的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來說話了。