Intel 45纳米处理器技术剖析
技术空间
1947年贝尔实验室制造的第一个晶体管可握在手中，而现在Intel制造的全新45纳米晶体管仅在一个红血球细胞表面就可容纳数百个……众所周知，CPU的制造工艺早已成为处理器向前发展的最大动力。1995年后，CPU制造工艺经历了0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.15μm、0.13μm（μm：微米）阶段，一直发展到目前主流的90nm、65nm（nm：纳米）。更新的采用45nm和30nm制造工艺的产品也已出现，在这方面，Intel的45nm处理器走在了前面。
进化到45nm势在必行
CPU的制造工艺又叫制程，它特指在生产CPU及其他芯片过程中，加工各种电路和电子元件及用导线连接各个元器件的生产精度，也就是芯片内电路与电路之间的距离。它一般以微米（长度单位，1毫米=1000微米）或纳米（1微米=1000纳米）来表示。这个数值越小，表明该CPU的生产精度越高，生产工艺越先进。
从整体来看，提升CPU的制造工艺可以带来以下好处：提升产品性能——制造工艺越先进，在核心尺寸不变的情况下，晶体管的线条宽度越小，可以容纳晶体管数量就越多，从而性能就越强；降低生产成本——芯片的制造工艺对提升性能、控制成本具有极其重要的意义，在晶体管数量不变的情况下，晶体管的线条宽度越小，核心尺寸越小，成本就越低；功耗/发热量更低——在晶体管数量不变的情况下，核心尺寸越小，功耗/发热量就越低，产品便更符合节能/节电趋势，更有利于厂家设计低功耗的CPU；可超频性更好——新制程CPU的可超频性一般都比老制程的好。
1971年Intel推出其第一颗微处理器4004，采用Intel的10微米半导体技术生产，规格为1/8英寸×1/16英寸，只包含2300个晶体管。而发展到了90nm时代，仅Pentium 4E（Prescott）上便集成了1.25亿个晶体管，核心尺寸也仅为112平方毫米。
而随着CPU性能不断攀升的需要，以Intel的Pentium4 6xx、Pentium D 9xx、Core 2 Duo、赛扬460/480等处理器，以及AMD的Athlon64 X2（Brisbane核心）及其闪龙系列为代表的65nm产品便迅速成为市场上的主流。
当然，65nm制程肯定也不是未来CPU的最终归宿，早在2006年年底，在俄勒冈的D1D工厂，Intel首款45nm处理器（代号“Penryn”）便已拿出样品，与目前的Core产品相比，Penryn具备更大的缓存和更高的主频。Intel上代65nm产品最高频率约为3GHz，频率超过3GHz后，功耗将会出现明显增长，而45nm产品频率最高可达约4GHz，配备新的电源管理技术和SSE4指令集。这标志着CPU的45nm芯片工艺时代正来临。
Intel历代采用不同制造工艺的处理器架构比较：90nm Process 65nm Process 45nm Process 32nm Process
45nm Penryn有何特色？
领先的制造工艺水平一直是Intel克敌制胜的法宝。而随着Intel的45nm Penryn系列产品的推出，让Intel继续傲视群雄。那么新的45nm工艺的Penryn系列产品有何特点呢？
1.45nm Penryn产品线
全新的45nm Penryn家族包括双核桌面处理器Wolfdale、四核桌面处理器Yorkfield、双核移动处理器Penryn、双核XeonDP处理器WolfdateDP、四核XeonDP处理器Harpertown、双核XeonMP处理器DunningtonDC及四核XeonMP处理器DunningtonQC系列产品。
以桌面产品为例，Intel已经确定在2007年年底首先推出九款采用45nm制程的桌面处理器产品。其中双核Wolfdale家族将会有3.16GHz、3.0GHz、2.83GHz和2.66GHz版本，而四核Yorkfield家族也将会提供2.83GHz/12MB、2.66GHz/12MB和2.5GHz/6MB版本。
与上一代技术相较，Intel的45nm制程技术可让晶体管密度提升近两倍，这让它能集成的晶体管总数大幅增加、处理器体积进一步缩小。以45nm Wolfdale双核处理器为例，它内建4.1亿个晶体管（四核Yorkfield系列则有8.2亿个晶体管），双核处理器中的硅核仅为107平方毫米，比Intel以前的65nm核心小了25%。外频提升至333MHz，在相同频率下较上代Core产品拥有更高性能，同时二级缓存链路方面也由原来65nm Core 2 Duo的16路，提升至24路，二级缓存容量由原来的2～4MB增加到6MB。如果是45nm的Yorkfield四核处理器，二级缓存容量可高达12MB（6MB×2），这能明显提高数据读取执行的命中率。
2.45nm Penryn的新特点
凭借SSE4等新的指令集、更大的缓存以及更快的外频及前端总线，与酷睿2处理器相比，Penryn的性能将提高20%，运行多媒体应用软件的性能将提高45%，而它的内部设计又有哪些特点呢？
全面无铅化
相比前代产品，Penryn全面采用无铅、无卤制造。在半导体的封装过程中，普遍需要用到金属铅，但铅对于环境的影响已经众人皆知。为此，欧盟的RoHS指令要求自2006年7月1日起，进入欧盟市场的电子电气产品禁用包括铅在内的6类有害物质。所以，Intel 45nm Penryn处理器采用了100%无铅设计。
针对以往仍存在于处理器封装的内部连接点第一层内约5%的含铅焊锡，Intel将以锡、银、铜合金取代以铅和锡为主的焊锡。首批无铅处理器将包括45nm的Penryn Core 2 Duo、Core 2 Quad和Xeon处理器，并且Intel 65nm处理器生产线也将在明年引入100%无铅工艺。
金属闸极技术
为达到大幅减少漏电情形并同时提升效能，Penryn处理器采用了被称为继MOS(多晶硅栅极金属氧化物半导体)之后又一项革命性的半导体技术——高-k栅介质＋金属栅极晶体管技术。包含全新材料制作的45nm晶体管绝缘层和开关闸极，用以取代沿用至今已超过40年的二氧化硅技术。
该技术的引进，可增加驱动电流20%以上，大幅降低晶体管漏电。可提升晶体管效能，在同一功耗表现下，频率可提升约20%，或是在同一频率下功耗更低，如Wolfdale处理器采用该技术后VTT电压由上代的1.2V减至1.1V，同时单核功耗也降低约15%，工作效率表现更出色。
新的SSE4指令集
在经历了MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSSE3指令集后，Intel终于在45nm Penryn处理器中推出了全新的SSE4（Streaming SIMD Extension 4）指令集。SSE4指令集被视为继2001年以来最重要的媒体指令集架构的改进，除扩展Intel 64指令集架构外，还加入有关图形、视频编码及处理、三维成像及游戏应用等指令，可让涉及音频、图像和数据压缩算法的应用程序大幅受益。
SSE4将分为4.1版本及4.2版本，4.1版本将会首次出现于Penryn处理器中，共新增47条指令，主要针对向量图形运算、3D游戏加速、视频编码加速及协同处理加速动作。此外，SSE4还加入了6条浮点型点积运算指令，支持单精度、双精度浮点运算及浮点产生操作，大大减少延误，对游戏及3D内容制作应用有重要意义。
其他技术特点
除了采用更先进的45nm制程及加入全新SSE4指令集外，Penryn也基于Intel Core微架构设计作出多项改良，如FastRadix-16Divider（快速Radix-16除法器）、增强Intel虚拟化技术、深度节能技术（Deep Power Down Technology）等。
展望新制程
1.发展趋势
在2007年的美国IDF上，制造工艺与微架构成为了业界关注的焦点。按照Intel的Tick-Tock (按年份交替推出新一代制造工艺和微架构)，在2007年第四季度，Intel将量产45nm Penryn处理器，先期推出15款产品用于服务器与高端桌面产品，并在2008年第一季度推出15～20款产品细分市场。
45nm产品担负着接替目前65nm产品的历史使命。根据Intel最新处理器规划，预计2008年上半年，45nm处理器出货将占整体桌面产品比重约30％的份额，高举全新Tick-Tock硅架构大旗的45nm Penryn成为主流指日可待。在2008年的第三季度，45nm产品的出货量将超过65nm产品。目前，Intel的两座65nm工厂已经减产，四座45nm工厂中有两座在今年下半年开始生产，另两座则将在2008年上半年投入使用。同时在2008年，Intel还将引入基于45nm制造工艺的Nehalem，它将采用Core的下一代微架构。
展望未来的2009年，Intel将把CPU制程提升至32nm时代，并引入第二代高-k栅介质＋金属栅极晶体管技术。按照Intel的开发规划，在32nm工艺之后的将是22nm，时间则定在2011年，符合Tick-Tock节奏中每两年升级一次生产工艺的计划。
2.厂家支持
Intel为了推行45nm处理器，目前已经发布了支持它的一些主板芯片组。顶级的X38加上较早发布的P35、G33、P31、G31等，Intel Bearlake系列芯片组已经基本布局完毕。从市场上P35、P31等一系列主板的增多，可以看到厂家的生产和推行是积极的。对于非Intel芯片组而言，NVIDIA也是在努力支持Intel的新技术，不但新发布的MCP73芯片组支持1333MHz FSB的45nm处理器，而且就算是上市已久的高端nForce 680i主板，在更新了BIOS后，也能支持45nm处理器。
主板生产厂商认为，45nm制造工艺带来的不仅仅是高主频，更是高性能和低功耗，45nm技术的引入将使得Intel与AMD之间的处理器大战将由此进入一个新的时代，双核处理器的主频在今后也会纷纷超过3GHz。因为Intel目前已经开始转入45nm制程，而AMD则至少得等到2008年，所以Intel在工艺上依然大幅领先竞争对手。但主板厂商指出，Intel并不必急于马上全力投入新工艺，将处理器全部转向45nm，因为65nm目前仍然是主流，市场反应良好，还有较长的生命周期。另外，虽然Penryn很快就会上市，但离消费者的实际需求的市场还是比较遥远。“市场需要什么，我们就生产什么！”厂家的生产重点始终还是在主流产品上。
