3D晶体管

随着摩尔定律的进步越来越艰难，科学家们也早就意识到了3D结构晶体管的必要性。事实上，Intel早在2002年就宣布了3D晶体管设计，先后经过了单鳍片晶体管展示(2002年)、多鳍片晶体管展示(2003年)、三栅极SRAM单元展示(2006年)、三栅极后栅极(RMG)工艺开发(2007年)，直至今日方才真正成熟。这一突破的关键之处在于，Intel可将其用于大批量的微处理器芯片生产流水线，而不仅仅停留在试验阶段。摩尔定律也有望从此掀开新的篇章。

英特尔今天表示，在微处理器上实现了历史性的技术突破：成功开发世界首个3D晶体管，名叫Tri-Gate。据英特尔介绍说，3-D Tri-Gate晶体管能够支持技术发展速度，它能让摩尔定律延续数年。该技术能促进处理器性能大幅提升，并且可以更节能，新技术将用在未来22纳米设备 中，包括小的手机到大的云计算服务器都可以使用。

根据英特尔的解释，公司重新为芯片设计了电子开关（即晶体管），在过去开关是平面的，现在增加了第三维， 它由硅基向上突出。例如，当土地有限，要增加办公室就可以盖摩天大楼。新的3D晶体管道理与此相似。

英特尔展示了22纳米处理器，代号为Ivy Bridge，它将是首款使用3-D Tri-Gate晶体管的量产芯片。3-D晶体管和2-D平面晶体管有本质性的区别，它不只可以用在电脑、手机和消费电子产品上，还可以用在汽车、宇宙飞船、家用电器、医疗设备和其它多种产品中。

英特尔CEO欧德宁说：“英特尔的科学家和工程师曾经重新发明晶体管，这一次利用了3D架构。很让人震惊，改变世界的设备将被创造出来，我们将把摩尔定律带入新的领域。”

长久以来，科学家就认识到3D架构可以延长摩尔定律时限。这次突破可以让英特尔量产3-D Tri-Gate晶体管，从而进入到摩尔定律的下一领域。

摩尔定律认为由于硅技术的发展，每2年晶体管密度就会翻倍，它能增强功能和性能，降低成本。在过去四十年里，摩尔定律成为半导体产业的基本商业模式。

通过使用3D晶体管，芯片可以在低电压和低泄露下运行，从而使性能和能耗取得大幅改进。在低电压条件下，22纳米的3-D Tri-Gate晶体管比英特尔32纳米平面晶体管性能提高37%。这意味着它能用在许多小的手持设备中。另外，在相同的性能条件下，新的晶体管耗电不及 2D平板晶体管、32纳米芯片的一半。

首款3-D Tri-Gate晶体管22纳米芯片代号为Ivy Bridge，英特尔今天展示了该芯片，它能用在笔记本、服务器和台式机中。Ivy Bridge家族的芯片将成为首个大量生产的3-D Tri-Gate晶体管芯片，它将在年底开始量产。3-D Tri-Gate晶体管还将用在凌动芯片中。

3D晶体管是由Intel研发并于2011年5月5日正式发布的3D架构晶体管，被命名为Tri-Gate。3D晶体管主要是将电流的“流路”3D化，栅极开关基本不变，主要是部分3D化。

晶体管是现代电子学的基石，而Intel此举堪称晶体管历史上最伟大的里程碑式发明，甚至可以说是“重新发明了晶体管”。3D晶体管主要是为了对电流有更好的控制，从而达到更高的性能和更低的功耗。

其实早在2002年Intel即发现了这一技术，一直处于试验演示阶段，现在终于把它变成了现实，Intel打算把它融入到22nm的“Ivy Bridge”芯片，Ivy Bridge晶体管的数量将达到10亿。

3D Tri-Gate晶体管架构能够有效提高单位面积内的晶体管数量，使得非常适合轻薄着称的移动设备， Tri-Gate晶体管机构技术的实现，使得单位面积内的晶体管数量得到极大的提高，以往芯片受限于面积限制而无法设计更高性能的产品将不会存在了。

3D Tri-Gate使用一个薄得不可思议的三维硅鳍片取代了传统二维晶体管上的平面栅极，形象地说就是从硅基底上站了起来。硅鳍片的三个面都安排了一个栅极，其中两侧各一个、顶面一个，用于辅助电流控制，而2-D二维晶体管只在顶部有一个。由于这些硅鳍片都是垂直的，晶体管可以更加紧密地靠在一起，从而大大提高晶体管密度。这种设计可以在晶体管开启状态(高性能负载)时通过尽可能多的电流，同时在晶体管关闭状态(节能)将电流降至几乎为零，而且能在两种状态之间极速切换。Intel还计划今后继续提高硅鳍片的高度，从而获得更高的性能和效率。

全新的3D Tri-Gate能够提供同等性能的同时，功耗降低一半。新的接口极大的减少了漏电率。阈值电压可以得到极大的降低。晶体管工作在更低的电压下，功耗也会得到显着下降，而我们关心的处理器的工作频率也会得到相应的提高。相比现在的32nm制程，处理器电压可降低0.2V。即使在同等电压下，新的22nm 3D Tri-Gate晶体管架构性能也可提升37%。

这种设计可以在晶体管开启状态(高性能负载)时通过尽可能多的电流，同时在晶体管关闭状态(节能)将电流降至几乎为零，而且能在两种状态之间极速切换(还是为了高性能)。Intel还计划今后继续提高硅鳍片的高度，从而获得更高的性能和效率。

Intel声称，22nm 3-D Tri-Gate三维晶体管相比于32nm平面晶体管可带来最多37%的性能提升，而且同等性能下的功耗减少一半，这意味着它们更加适合用于小型掌上设备。

3D晶体管最重要的作用，其实可以归结为两点：一是CPU低电压的性能大幅度提升，Intel公布的数据是比现有32nm晶体管提升37%；二是跟32nm相同性能的晶体管相比，耗电量只需要一半。

同时，3D晶体管还对控制成本方面非常有利，Intel公布3D晶体管的制造成本仅提升2%～3%