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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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三維電晶體

David H. Freedman

為了把更多的組件擠進矽晶片,英特爾(Intel)開始量產用三維電晶體做成的處理器。這項行動不只延長了摩爾定律(Moore’s law;預測每顆晶片上的電晶體數目,大約每兩年就會增加一倍)的壽命,也有助於顯著提高處理器的能源效率和速度。

傳統晶片中的電流啟閉,是由所謂的閘門產生的電場控制。閘門位於一條寬而薄的導電通道上方,導電通道則嵌入矽基板。有了三維電晶體,那個載流通道做成直立,凸出在晶片表面上,通道材料因此能和閘門的兩邊、上邊接觸,通道因此幾乎不受底下基板中雜散電流的干擾。以前的電晶體中,這些電荷會干擾閘門阻擋電流的能力,導致漏電流不斷流動。

電晶體幾乎沒有漏電流之後,就能比較乾淨和快速地啟閉,而且能用較低的電力運轉,因為設計師不必擔心漏電流可能被誤為「啟」的訊號。

英特爾宣稱新的電晶體開關速度比以前的電晶體最多快上37%,或者消耗的電力只要一半。開關速度加快,表示晶片的速度增快。此外,由於占板面積(footprint)比較小,電晶體可以更緊密地封裝在一起。訊號在它們之間傳送的時間因此減少,進一步加快晶片的速度。

根據這種技術製造的第一顆處理器,不久之後將用在筆記型電腦。但是電子產業對於這種處理器能夠節省手持式裝置使用的電力,格外感到興奮。這表示設計師可以將裝置的性能升級,卻不必用到體積較大的電池,或者縮小電池的大小,卻不致減損性能。「十年前,大家都只關注加快晶片的速度,」領導英特爾處理技術的馬克‧波爾(Mark Bohr)說。「今天,低耗電遠比從前重要。」他補充說,手持式裝置的省電和性能提升會加快,因為電晶體體積縮小,單一晶片就能處理記憶、寬頻通訊和全球定位系統(GPS)等功能,而這在以前,各需要一顆晶片。手持式裝置減少晶片使用數量和縮小電池的體積,將能在更為輕薄的包裝內做更多的事情。

新的電晶體設計留下進一步改善的足夠空間,能讓這個產業走過未來五年。英特爾以前的晶片每平方公釐能封裝487萬顆電晶體;新的晶片有875萬顆,到2017年,應該可以做到每平方公釐約3,000萬顆電晶體。「這將讓矽繼續存在數個世代,」波爾說。

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