核心变化：22纳米与3D晶体管

　　从预热到正式发布，有两个有关第三代英特尔酷睿处理器的特性出镜频度是最高的，那就是22纳米和3D晶体管——正式名称或学名应当为3维三栅极晶体管，不过为了便于大家记忆和理解，媒体甚至英特尔公司本身更愿意将其简称为3D晶体管。

　　何谓3D晶体管

　　2011年5月6日，英特尔公司宣布研制成功世界上第一个3-D三维晶体管“Tri-Gate”——这项技术当时被称为是“年度最重要的技术”。按照当时公布的资料，相比于32nm平面晶体管，3-D Tri-Gate三维晶体管可带来最多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。考虑到半个多世纪以来，晶体管一直都在使用2-D平面结构，现在终于迈入了3-D三维立体时代，将英特尔此举比作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”，恐怕并不为过。

　　3D晶体管的发展历程

　　“摩尔定律源自 1965 年我为《电子学》撰写的文章。我预见到，我们将制造出更复杂的电路从而降低电器的成本——根据我的推算，10 年之后，一块集成电路板里包含的电子元件会从当时的 60 个增加到 6 万多个。那是个胆大的推断。1975 年，我又对它做了修正，把每一年翻一番的目标改为每两年翻一番。”这就是戈登.摩尔对于这个影响半导体行业将近半个世纪的重要法则的描述。简单地讲，就是随着硅技术的发展，每2年晶体管密度就会翻倍，从而带来功能的丰富和性能的增强，同时降低成本。在过去四十多年里，毫不夸张地说，摩尔定律是半导体产业事实上的基本商业模式。

　　然而，由于晶体管数量的攀升将不可避免地带来温度升高并且使漏电流问题严重化，摩尔定律的进步变得越来越艰难。一个最明显的现象就是过去几年中，出现提出关于摩尔定律将失效的结论的频度变得越来越高，而且似乎每种这样的观点都有着非常好的数据支持。不过，这类结论大多建立一个假设基础上：那就是在现有的材料和工艺方法的基础上做出相关预测。而3D晶体管正是在这一层面实现了巨大的突破。

　　事实上，英特尔早在2002年就宣布了3-D晶体管设计（在当年《个人电脑》杂志的《克丽观察》中我们就有关描述与探讨），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），直至今日终于真正成熟。这一突破的关键之处在于，英特尔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。

　　3D晶体管的特点与优势

　　3-D 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，形象地说就是晶体管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。做一个形象的比喻，当土地有限时，要增加办公室就可以盖摩天大楼，新的3D晶体管的作用就与此类似。

　　3D晶体管的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以保证系统可以获得持续的高性能支持。英特尔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。

　　在前面我们提到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。基于它制造的处理器或芯片将不只可以用在电脑、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。

　　正因为此，英特尔CEO欧德宁在此项技术发布时，雄心勃勃地表示“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。”

　　3D晶体管与22纳米

　　虽然3D晶体管的发布是在去年的5月，但是实际上直到第三代酷睿处理器临近，它才真正为广大用户所熟知和关注。不过，此时再提到3D晶体管时，它总是会与22纳米结伴出现。那么这两项技术是什么关系呢？

　　简单地说，两者其实没有什么必然联系，22纳米是一种制程工艺，3D晶体管则是一种新的形式——而且，在前面我们提到，早在十年前的2002年英特尔就已经开始研发并展示过成果。不过，应该说，两者在第三代酷睿处理器上同时出现也有着其必然性，因为正因为有了22纳米制造工艺，3D晶体管才能够被制造出来并实现量产，也更能体现出后者的设计目标优势。而且，22纳米制造工艺做到了在单位面积中容纳更多的晶体管数量，但这也增加了漏电流形成更大危害的几率——而3D晶体管的应用，则使处理器有效避免了这种风险——正如我们前面描述的，在晶体管关闭状态下，电流可以控制到极其接近零。

　　所以，两项技术可以说是相辅相成，相得益彰——达到减低功耗的同时提高性能的目标。