入門分享：3D三維晶體管的基礎知識

一、3D三維晶體管的概念

3D三維晶體管,從技術上講，應該是三個門晶體管。傳統(tǒng)的二維門由較薄的三維硅鰭(fin)所取代，硅鰭由硅基垂直伸出。門包圍著硅鰭。硅鰭的三個面都由門包圍控制，上面的頂部包圍一個門，側面各包圍一個門，共包圍三個門。在傳統(tǒng)的二維晶體管中只有頂部一個門包圍控制。英特爾對此作了十分簡單的解釋：“由于控制門的數(shù)量增加，晶體管處于‘開’狀態(tài)時，通過的電流會盡可能多;處于‘關’狀態(tài)時，電流會盡快轉為零，由此導致能耗降至最低。而且晶體管在開與關兩種狀態(tài)之間迅速切換能夠顯著的提高電路性能。

實際上，3D晶體管就是tri-gate 和32nm的區(qū)別。3-D Tri-Gate三維晶體管相比于32nm平面晶體管可帶來最多37%的性能提升，而且同等性能下的功耗減少一半，這意味著它們更加適合用于小型掌上設備。3-D Tri-Gate晶體管能夠支持技術發(fā)展速度，它能讓摩爾定律延續(xù)數(shù)年。該技術能促進處理器性能大幅提升，并且可以更節(jié)能，新技術將用在未來22納米設備中，包括小的手機到大的云計算服務器都可以使用。

二、3D三維晶體管的特點

3-D Tri-Gate使用一個薄得不可思議的三維硅鰭片取代了傳統(tǒng)二維晶體管上的平面柵極,形象地說就是從硅基底上站了起來。

硅鰭片的三個面都安排了一個柵極，其中兩側各一個、頂面一個，用于輔助電流控制，而2-D二維晶體管只在頂部有一個。由于這些硅鰭片都是垂直的，晶體管可以更加緊密地靠在一起，從而大大提高晶體管密度。

三、3D三維晶體管的優(yōu)勢

3D晶體管 Tri-Gate使用一個薄得不可思議的三維硅鰭片取代了傳統(tǒng)二維晶體管上的平面柵極，形象地說就是從硅基底上站了起來。硅鰭片的三個面都安排了一個柵極，其中兩側各一個、頂面一個，用于輔助電流控制，而2-D二維晶體管只在頂部有一個。由于這些硅鰭片都是垂直的，晶體管可以更加緊密地靠在一起，從而大大提高晶體管密度。

這種設計可以在晶體管開啟狀態(tài)(高性能負載)時通過盡可能多的電流，同時在晶體管關閉狀態(tài)(節(jié)能)將電流降至幾乎為零，而且能在兩種狀態(tài)之間極速切換。Intel還計劃今后繼續(xù)提高硅鰭片的高度，從而獲得更高的性能和效率。Intel聲稱，22nm 3-D Tri-Gate三維晶體管相比于32nm平面晶體管可帶來最多37%的性能提升，而且同等性能下的功耗減少一半，這意味著它們更加適合用于小型掌上設備。

與之前的32納米平面晶體管相比，22納米3-D三柵極晶體管在低電壓下將性能提高了37%,而功耗下降一半。無疑，這一巨大的改進意味著它們將是英特爾進入小型手持設備的殺手武器。”采用這種技術的終端，僅要求晶體管在運行時只用較少的電力進行開關操作。全新的晶體管只需消耗不到一半的電量，就能達到與32納米芯片中2-D平面晶體管一樣的性能。“柯比表示，”低電壓和低電量的好處，遠遠超過我們通常從一代制程升級到下一代制程時所得到的好處。它將讓產(chǎn)品設計師能夠靈活地將現(xiàn)有設備創(chuàng)新得更智能，并且有可能開發(fā)出全新的產(chǎn)品。“

四、3D三維晶體管技術

英特爾公司組件研究經(jīng)理Gerald Marcyk在日本名古屋召開的國際固態(tài)設備和材料會議上發(fā)表技術論文，介紹了有關三閘晶體管的詳細的技術細節(jié)。

Marcyk介紹說，三閘晶體管顧名思義就是有三個閘，而不是一個，它與目前的技術不同。因此，三閘晶體管的表現(xiàn)更像個三維物體。晶體管的閘通常是控制晶體管中的電子在源極和漏極這兩個結構中流動的。允許電子通過或者阻止電子通過，就產(chǎn)生了對計算有重要意義的1和0.

增加晶體管閘的數(shù)量就增加了能夠控制的電子流的總數(shù)并提高性能。更重要的是因為三閘晶體管的電子流可以分成三個渠道，因此能夠減少電子的泄漏。目前，晶體管的閘只有幾個原子厚，電子在傳輸中可能發(fā)生泄漏，隨著芯片構件的縮小，這個問題會更加嚴重。 英特爾公司的競爭對手IBM公司正在研制雙閘晶體管，并且打算用這種晶體管制作一個完整的芯片。英特爾公司到目前為止只生產(chǎn)出實驗性的晶體管。AMD公司也在從事雙閘晶體管的研究。

總之，英特爾推出的3D三柵極晶體管技術可以說是晶體管技術上的一次革命，它打破了人們的固有思維，讓晶體管設計從平面上升到了立體，而英特爾新推出的第三代酷睿處理器就是基于22nm 3D三柵極晶體管技術。與之前的32納米平面晶體管相比，22納米3D三柵極晶體管在低電壓下將性能提高了37%,而且只需消耗不到一半的電量，就能達到與32納米芯片中2D平面晶體管一樣的性能。

五、3D三維晶體管的發(fā)展

據(jù)悉，英特爾表示，成功開發(fā)世界首款名叫TRI-GATE的3D三維晶體管，在微處理器上實現(xiàn)了歷史性的技術突破。英特爾解釋，公司重新為芯片設計了電子開關(即晶體管)，把過去平面的開關增加了第三維。英特爾展示了22納米處理器，代號為IVY BRIDGE,它將是首款使用3D TRI-GATE晶體管的量產(chǎn)芯片。

3D三維晶體管和2D平面晶體管有本質(zhì)性的區(qū)別，它不只可以用在電腦、手機和消費電子產(chǎn)品上，還可以用在汽車、宇宙飛船、家用電器、醫(yī)療設備和其他多種產(chǎn)品中。英特爾CEO歐德寧稱，”改變世界的設備被創(chuàng)造出來，我們將把摩爾定律帶入新的領域。“摩爾定律認為由于硅技術的發(fā)展，每2年晶體管密度就會翻倍，它能增強功能和性能，降低成本。

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