CPU芯片进化史：从单核到四核的完整发展脉络

提起晶体管这个词可能大家都不会陌生，它本质上是一种微型电子开关，可以说是计算机芯片能够正常运行的基石。

免费影视、动漫、音乐、游戏、小说资源长期稳定更新！ 👉 点此立即查看 👈

典型的晶体管主要由以下三个部分组成：

－ 栅极（gate）：相当于开关的控制把手，通过施加电压来实现对电流的精准调节。

－ 沟道（channel）：指的是电流流通的主要路径。

－ 源极（source）和漏极（drain）：分别对应电流的入口与出口。

而晶体管架构，指的是设计晶体管时各部件之间的排布方式，主要涉及栅极、沟道、源极和漏极这几个关键元素的几何布局。

这里还需要提到另一个专业术语——MOSFET，全称是金属氧化物半导体场效应晶体管，它是当前数字电路中最主流的晶体管结构。

在MOSFET晶体管结构中，栅极和沟道之间通过氧化层（oxide layer）实现了完全隔离。

一方面，氧化层能够有效阻挡电流直接从栅极流向沟道，从而增强了对电流的控制能力，有效避免漏电现象。

另一方面，当施加电压时，由于电容效应的存在，栅极上的电荷会在氧化层下方形成一个电场，“间接”驱动晶体管内部的电流流动。

在早期的制造工艺中，制作氧化层使用的主要材料是二氧化硅。

2007年，英特尔在45纳米工艺的商业化产品中率先采用了高K材料，也就是HKMG——高K金属栅极技术，这项创新显著提升了栅极电容，同时改善了漏电问题，实现了晶体管性能的整体跃升。

这里的“K”指的是介电常数，它是衡量绝缘材料在电场中储存电能能力的比例系数。

除了MOSFET之外，业界还发展了多种不同的晶体管架构，例如BJT（双极性结型晶体管）、HEMT（高电子迁移率晶体管）、MESFET（金属半导体场效应晶体管）等。

MOSFET是数字电路的主流选择，而其他架构的产品则主要应用于射频电路、功率电子、高速模拟等特定领域。

传统的MOSFET结构都是平面型的，所有组件都排列在同一个水平面上，栅极只能覆盖沟道的顶部区域。

这就引发了短沟道效应（SCE），指的是当晶体管沟道长度非常短时，除了栅极电场之外，源/漏极电场对沟道的影响也会增强，进而导致阈值电压下降、反偏效应加剧等现象，最终可能造成漏电和性能不稳定等后果。

随着晶体管尺寸越来越小，平面MOSFET中的短沟道效应已经变得难以克服。

2010年代初期，英特尔在22纳米工艺上率先实现了FinFET晶体管架构的商业化应用。

在FinFET晶体管中，沟道呈垂直立体排列，栅极则从三面包裹着沟道，因其外形酷似鱼鳍，故而得名“鳍式场效应晶体管”。

FinFET通过强化栅极对沟道的“包围”效果，在芯片制程从20+纳米微缩到3纳米的过程中，有效应对了性能和功耗等方面的诸多挑战。

如今，随着制程工艺迈入2纳米级别，FinFET在控制短沟道效应和提升性能方面也逐渐显得力不从心。

为此，产业界纷纷转向了控制能力更强的全环绕栅极（GAA）架构，例如英特尔18A工艺首次使用的RibbonFET技术。

RibbonFET将沟道垂直堆叠起来，栅极从四个方向将沟道完全包围，从而使其对电流的控制力更强、更稳定、更均匀，不易受到源极和漏极电压波动的干扰。

另一方面，当沟道宽度增大时，晶体管的导电能力会相应增强，从而能够驱动更大的电流。

在FinFET结构中，如果要增加沟道宽度，就必须让晶体管变得更高。而对RibbonFET来说，由于沟道是水平排列的，在一定范围内加宽沟道并不需要增加晶体管的体积。

换言之，采用RibbonFET架构的晶体管能够以更小的体积实现相同的性能表现。

在芯片层面，这意味着芯片标准单元的高度更低、面积更小，能够在同样的空间内集成更多的晶体管，从而实现设备整体性能的显著提升。

英特尔18A工艺还搭载了PowerVia背部供电技术，目前已经投入量产，首款产品Panther Lake即将发布！