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深度探讨-未来AMD CPU中的应变硅技术 时间：2004/10/8 14:03:00来源：本站整理作者：蓝点我要评论(0)

（本文翻译自www.penstarsys.com，此处为原文链接，希望通过我们的翻译工作，能使您了解到最新的业界动态，产品咨讯。由于本人水平有限，文中有翻译不当之处，恭请指正。）

上周有一些消息透露AMD将在其90纳米和130纳米的Athlon 64产品上使用应变硅制造工艺。尽管并未得到官方的证实，但是种种迹象表明这已是大势所趋。IBM是第一个在应变硅技术的运用中取得成功的厂商，他们的PowerPC因此而受益匪浅，这使得IBM在应变硅技术应用领域走在了竞争对手的前面。紧随其后intel也在其最新版本的Pentium 4处理器中使用了这项技术。这样一来AMD在应变硅技术上的出手就没什么新鲜的了。但是为什么诸家厂商一致看好应变硅技术，而应变硅又给它们带来了什么好处呢？而同时应变硅对于intel这样的厂商来说真的是包治百病的“良药”吗？

技术背景

硅是当今半导体制造业最重要的原材料。半导体是一种导电性能介于金属导体和绝缘体之间的物质，其内杂质含量和外界条件的改变(如温度变化、受光照射等)都会使其导电性发生变化，在一定条件下会体现出绝缘体的特性。这些特性使得半导体在当今的集成电路制造中得到了大量应用。在半导体制造业发展的几十年中，硅原料本身的自然属性一直没有对芯片运行速度的提高产生任何阻碍作用。但是，随着芯片制造技术的不断改进，硅原料自身的一些不足之处逐渐成为了芯片运行速度进一步提高的绊脚石。为此涌现出一系列的制程技术用来改进这种状况，包括铜互连（copper interconnects）技术，低介电薄膜（low-k dielectrics）技术和硅晶绝缘体（silicon on insulator，SOI）技术等等。其中铜互连技术用于提高速度，而另外两项技术主要用于控制电能泄漏和减少电能需求（由于更有效的利用了电能，从而降低了芯片的发热量，这也同样有助于运行速度的提升）。

尽管有了这些技术，但是许多年来，制作芯片的硅衬底本身在本质特性上并未发生任何变化。目前在一些实验中采用了单一同位素硅（100％的硅28，没有掺杂任何硅29和硅30的成分，该材料号称“最纯洁的硅元”）做原料，大大改善了芯片的发热和能耗问题。尽管这种纯同位素材料与现在的混和同位素材料相比能够带来高达60%的性能提升，但是其高昂的制造成本也使得该材料被大规模使用的可能性变得微乎其微。

而目前在大规模量产中真正可行的改进方案就是应变硅技术。其基本原理是:如果能够迫使硅原子的间距加大，就可以减小电子通行所受到的阻碍，也就相当于减小了电阻，这样一来发热量和能耗都会降低，而运行速度则得以提升。而实现该技术的关键是能否找到一种成本相对较低，可大规模应用的方法来加大硅原子距。

上图是硅与硅锗两种材料的晶格对比。可以看到，通过向硅原料中掺入锗的方式可以扩大原子距，这就是IBM开发的硅锗原料（图片由IBM提供）

幸运的是大自然为研究人员提供了一个良好的解决方案，根据自然规律，在添加了相似元素的原子后，晶体结构会发生线性扩张。据此研究人员开发出了的改进的半导体材料——硅锗，而上文提到的单一同位素硅则始终停留在实验室中。由图可以看到，硅锗的晶体矩阵与纯硅的相比，原子间距有了明显的扩张。这段扩张出来的空间就是电子流动的空间，由于该原料的制作原理是在添加锗元素后，硅原子在锗原子原子间力的作用下发生了应变，扩张了原子间距，因而这种材料又称作“应变硅”。

上图即是纯硅在发生原子间力应变后晶体结构线性扩张的示意图（图片由IBM提供）

在实验室环境下，测试结果显示电子在应变硅材料中的流动速度要比其在非应变硅中快70％。而制成芯片后其运行速度也要较非应变硅制成的芯片快35％。当然，这只是用于测试的专用芯片，而实际使用的芯片复杂程度要高的多，会有更多的因素来限制芯片的性能提升，它们也可能会抹煞掉应变硅所带来的改进。

AMD的应变硅应用

前面提到过，AMD将会在其90nm以及130nm制程的cpu中使用应变硅技术。应变硅技术的应用在cpu制造工艺中是一种不小的进步，而且其生产成本也并不是高不可攀，所以消费者们也不必担心应用此项技术会带来什么令人不能接受的天价。

AMD在转人90纳米制造工艺时选择了一条明智的道路。他们花了相当一段时间来观察改技术是否表现稳定，同时，在将90 纳米工艺引入Athlon 64核心架构时，他们也并没有从根本上对核心做什么改变。正是由于没有重新开发更复杂的产品核心，AMD大大降低了在进入“90纳米俱乐部”时所冒的风险。相比于intel为了引入90纳米工艺而设计了全新的同时也是更复杂的Prescott核心，AMD的工程师只需对他们已经了如指掌的Athlon 64核心做一些相关的改动就可以轻松的引入这项工艺。由于Prescott的设计运行频率相当高，其晶体管的运行速度就很高。为了达到高速度，就要加大电流。速度越快，需要提供的电流也就越大。而高速运转带来的cpu电能损耗浪费是一直令intel感到头疼的问题，这使得cpu的发热量和耗电量很难得到控制。其实intel先前的 Northwood核心一直表现良好，如果intel将那个核心转入90纳米工艺，兴许就不会遇到这样的问题，而且开发成本还会大大降低。

由于仅仅是相当于将Athlon 64核心对90纳米工艺做了优化设计，AMD允许他的工程师在改造当前频率的Athlon 64核心架构时首先考虑芯片的成品率，而且也允许他们使用硅锗原料来制造这个核心。按照计划，AMD的首款90纳米工艺的处理器将面向移动处理器市场，而后推出的桌面级处理器也将定位在中端产品线上（产品的频率范围在2.0 GHz 到 2.4 GHz）。据推测AMD对于此次引入应变硅技术所带来的性能提升并不抱很乐观的态度，他们估计运行速度的提升幅度大约为10％左右，而以后推出的90纳米工艺产品将会在一年内使Athlon 64达到3.0 GHz的工作主频，而在目前这种核心设计下90纳米的Athlon 64核心将最终达到3.2 GHz的主频。在当前核心架构中引入应变硅技术对于AMD来说是笔双赢的买卖，不仅无需重新设计复杂的架构，而且耗电量和发热量的问题也较之于未引入应变硅技术时有了十分醒目的改善。

AMD不仅在90纳米工艺的产品中引入应变硅技术，其130纳米的核心也要用。这多少令人感到有些吃惊，不过对于AMD来说应该是个明智的转变。因为这可以使AMD的130纳米cpu产品得到速度上的提升，同时他们还无需花费大笔的改造开发费用。目前AMD的130纳米产品运行在2.4 GHz，而一些超频高手们则可以把它超到2.6 GHz甚至还要往上。AMD正在计划对其130纳米的Athlon 64进行提速，虽然应变硅技术还不能使这种工艺下的cpu达到3 GHz以上的高速度，但却可以在一般的散热条件下轻易的达到2.6 GHz的主频。AMD估计的那10% 的性能提升足以使AMD继续与intel进行竞争。

由于引入了应变硅和硅晶绝缘体技术，AMD的90纳米处理器变的异常强大。这样一来，其首次推出90纳米处理器就敢面向移动市场也就不足为奇了。同样，将先进技术首先应用于更加广泛的中端桌面产品市场而不是顶级产品市场，也是AMD的一种市场战略安排。AMD可能会在2.0 到 2.4 GHz的cpu中大量应用这种新技术。而正如同这个领域中的其它厂商一样，AMD也需要花一段时间来将这项新技术应用到更高主频的cpu产品中。也正是这个原因促使AMD先将新技术应用于已经成熟的130纳米工艺中，这就可以确保今秋推出的130纳米产品可以稳定运行在2.6 GHz。而在之后的时间里，AMD将紧锣密鼓的大批量制造90纳米的产品以期降低产品价格大规模占据 2.0 GHz 至 2.4 GHz处理器产品的市场。

再过大约六个月的时间，AMD就会完善它的90纳米工艺，之后它就会越过130纳米2.6 GHz这个门槛，推出速度更快，性能更高的处理器产品来冲击高端市场。另外，虽然同样基于现在的Athlon 64 核心，但是90纳米的产品移除了一些部分同时更换了能使运行速度达到更高的部件。另外有迹象表明AMD将在05年一季度推出双核心的样片，而正式的产品将在上半年末尾推出。而如果AMD想在这个领域和intel竞争的话，90纳米的制造工艺在这种产品中将是必不可少的。

未来预测

应变硅仍然是一项新兴的技术，它还需要诸多的改进才能真正走向成熟。intel目前正在尝试的技术则与此项技术的基本原理刚好相反，它们正在不断压缩核心结构中硅片所占的面积，这种做法将会增大芯片内部的电阻，这就会进一步增大漏电流。而AMD也会跟进，但是它的设计会更加强调SOI技术大量应用的效果（低漏电流，低发热量，低能耗）。

而提高处理器主频的另一种可能性就是单一同位素硅原料达到大规模商用的程度。虽然应变硅与普通硅原料之间在原子结构上有着诸多相似之处，但是实际上普通硅原有的全部效能会因为锗元素的添加而受到影响。例如硅锗层的存在会导致普通硅衬底层的导热性有所下降，但是尽管如此，硅锗在理论上仍然能够为整体性能带来10％的提升幅度（如果使用单一同位素硅28原料层代替硅锗层，一些学者认为可以达到60％的性能提升）。而如果单一同位素硅技术得以实地使用，那么其给芯片性能所带来的提升将是显而易见的。

在AMD的产品设计理念中，一款Athlon产品在其从上市到停产的“一生”当中，一般都要经历五次重大的修改设计，我们姑且称其为“再设计”。而此次的Athlon 64 架构也肯定会面临同样的情况。目前已经出现了原始版本的Clawhammer核心（Sledghammer, Newcastle等等），但是它们都还没有经历过这种“再设计”。而据估计，它们经历的第一次“再设计”就会是双核心改造。有理由相信届时“再设计”不仅将带来功效的提升，而一些芯片特性和工作频率也会有所提高。

结语

目前AMD已经制定了一系列的应变硅技术应用规划，比较有意思的是，与竞争对手们的大肆宣传炒作相比，AMD似乎是闷下头来自己悄悄干的。这项技术的引入对于AMD来说是向前迈进了相当明显的一大步，不论是90纳米产品还是130纳米产品都因此而与过去相比在性能上有了明显的提高。其中130纳米的产品线是目前的受益者，由于可以开发更快速度的cpu产品，至少在年内，这一级别上的AMD产品在性能表现上可以对intel的产品保持一定的优势。

与任何一家能够在芯片制造领域呼风唤雨的厂商一样，AMD也拥有当今最优秀的工程技术开发人员，而他们也将不断改进AMD的处理器产品。尽管AMD在开发人员数量和开发设备上都不及intel，但多年来它也一直站在中央处理器产品开发的前沿领域。由于目前一代Athlon 64产品有着良好而稳定的市场表现，AMD不必像intel那样急于进入下一代处理器的开发过程，他们可以有时间通过对产品进行小的改动来完善它，同时这也可以大幅度减少新产品的开发费用，大大降低产品综合成本。当然，有一点他们别无选择，那就是底层产品市场几十亿计的市场份额是无论如何也绝对不能丢掉的，为此，AMD无论做什么都是应该的。

通过这篇文章您可以看到，AMD通过引入应变硅技术，在移动产品，桌面产品，工作站甚至服务器cpu市场上继续给intel施加着压力。而如果AMD敢于把应变硅技术引入当前的Athlon XP系列产品（Barton和T-bred B）的话，那么无疑它将会用更低的能耗和发热量以及更快的主频全面冲击低端产品市场，而且必定效果显著。

intel与AMD两家相争已久，它们彼此为了击败对方都使出了浑身解数，如果此次AMD的90纳米产品大获成功，那么intel决不会善罢甘休，它必将开发更新的技术来应对，当然，商家竞争的最终受益者必定是消费者，让我们拭目以待吧。