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铜互连

微处理器的演进

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1997年,IBM 宣布推出了采用铜互连技术的芯片,使微处理器比采用铝互连技术—当时的行业标准—的芯片更快、更小、更廉价,这在技术行业中投下了一颗重磅炸弹。日本一份报纸头条报道了这次事件,将此称为《IBM 的冲击!》。圣何塞《Mercury News》报道,IBM 的新产品“使其领先竞争对手三年”。

芯片中的铜

由于多种技术原因,大多数人认为取代芯片中的铝线是不可能的。然而,IBM 的一个小组克服了这些技术问题,很快将铜线投入到生产中,使芯片性能有了显著的提升。

第一个采用铜的微处理器

1998年 9月 1日,IBM 宣布推出世界上第一个采用铜材料的微处理器。IBM® PowerPC® 750 最初是为标准铝材料产品而研制的,运行速度为 300 MHz。通过将 IBM 铜制造工艺应用到几乎相同的芯片中,公司能够制造出速度至少为 400 MHz 的半导体—在同一个芯片中的速度提高 33%。

新标准

IBM 率先将铜互连件用于微处理器中的技术现在已成为行业标准。

CNN: IBM 的新芯片

CNN WorldVision 在 1997年的新闻报道介绍并解释了 IBM 的铜电路:“铜电路意味着对电池电源的需求更低,对于互联网服务器,页面下载速度更快,所有这些都因为一个晶体管现在可以比人的头发细 500倍。简言之,新的铜芯片以及使用它的计算机、摄像机、电话和其它设备可以更小—同时更快、更廉价。”

这项技术由纽约约克镇高地和 East Fishkill 的一个专业的跨学科小组以及来自佛蒙特州伯灵顿微电子小组的成员低调开发,随后,与摩托罗拉的联合进一步推动了这项技术的发展。

业内许多人对于铜的前景并不看好。然而,微处理器中铝的局限性也很明显。

摩尔定律—芯片和系统制造商衡量进展的准绳—指出“集成电路上可放置的廉价晶体管的数量大约每两年翻一番”,推动着性能不断改进。过去,半导体行业跟上发展步伐的方法是持续缩减体积而增加芯片上晶体管的数量,从而提高电路的速度。

与铝线相比,铜线的导电电阻大约低 40%,使微处理器速度提高 15%。铜线也更加耐用,可靠性提高了 100倍,而且尺寸可以比铝更小。

铜也为采用完全不同的制造工艺增加更多互连层提供了机会。IBM 必须开发出新的制造技术来用铜材料制造芯片。

然而,与铝不同,铜原子能够在芯片的绝缘层中漂浮。铜还有可能改变硅,改变其电气属性,并破坏设备的运转性能。IBM 在新材料领域(例如难熔解的金属触点—钨、衬垫和复合技术)的创新工作帮助将铜从硅中隔离出来,并且防止了这些负面影响。

当铜互连技术在 1997年推出时,一个半导体上可以容纳六级铜互连。如今,技术的进步使互连件的体积减小 10倍,在芯片上可以敷设 13至 15层互连件。

IBM 在触点和铜互连领域的研究创造了一个技术平台。行业中的其它企业需要十年才能跟上这一发展步伐。

铜互连已经成为行业标准,使未来更小、更快的微处理器能够成为现实。这项技术也实现了将 IBM 突破性创新应用到多核处理器交互中、e-DRAM(嵌入式动态随机存取存储器)、铜制芯片线路的使用、绝缘硅 (SOI) 技术和高速硅锗芯片。IBM 的触点和铜互连技术正继续进入全球的 3D 芯片集成领域。这种新技术有不止一个导电层,在水平和垂直方向上都存在连接。

2004年,IBM 凭借“在半导体技术领域四十年的创新,通过开发和制造更小、更强大的微电子设备而实现了信息技术和消费电子行业”,荣获美国国家技术奖章。IBM 的铜技术突破实现了多项创新。

更小、更高效的芯片技术将不断被开发,而这依赖于过去 15年的铜互连技术的进步才能得以实现。即使随着新的“亿亿次”技术的进步,例如纳米光子—使用光脉冲以“亿亿次”速度传送数据,铜将继续成为微处理器设计与演进的最根本元件。

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