深度探讨-未来AMD CPU中的应变硅技术

    （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。