在Tahiti构架的产品上，首次启用了TSMC全新的28nm HKMG（高介电金属栅极）工艺进行生产，这也让Tahiti构架的HD7900系列成了全球首款基于28nm HKMG工艺制造的GPU。TSMC的28nm HKMG工艺引入了诸多先进的制造方式以及技术，工艺进步所带来了更小的节点尺寸以及与之对应的更低的亚阀电压，不仅更好的控制了芯片的整体发热和功耗，更可让芯片面积大幅缩小超过40%，这对于芯片的可制造性有极大的帮助。

TSMC 28nm Wafer

　　除了更小的刻线宽度以及对应的更低的亚阀电压，本次TSMC采用的28nm HKMG工艺还有三个非常值得关注的重要改进，分别是High-K（高介电常数）材料的引入，GateLast（后栅）处理，以及nMOS/pMOS分开处理的金属栅极。

　　随着工艺的不断进步，cMOS的尺寸在不断的减小，这种“尺寸”缩减带来的一个直接后果便是晶体管与基体接触的氧化物层的不断减薄。快速减薄的栅氧层厚度虽然可以带来更快的开关速度以及更低的亚阀电压，但也直接导致了其对电子总容纳能力的指数级下降，更多的电子通过隧穿的方式泄漏到了基底中并转化成了发热。大量实验数据都证明栅氧层每减薄50%（工艺以常规方式进步一代），栅氧层造成的隧穿漏电量将平均增大13个数量级。这种漏电量的大幅增加，几乎将过去TSMC数代的工艺进步所带来的好处全部抵消，并最终导致了40nm芯片的发热量控制失败。

High-K材料取代了传统的硅基栅氧层

　　为应对这种问题，TSMC在28nm工艺中引入了High-K材料，提升了栅氧层的单位物质量电子容纳能力。事实上先前Intel的45nm工艺正是凭借着High-K材料的引入，才在保证栅极性能的前提下成功的大幅控制了功耗。TSMC在40nm时的EOT（氧化物层等效厚度）为1.6nm，这一数值在28nm时下降到了0.9nm，引入High-K的做法成功的抵消了尺寸减薄带来的容纳“空间”变小致使过多电子发生隧穿问题，大幅降低了体系的静态（待机）功耗表现和运行功耗，让HD7970有了出色的功耗及发热表现。

GateFirst需要复杂的“盖帽”工艺来实现High-K

　　除了High-K材料之外，TSMC在热处理工艺层面成功的转型到了GateLast形态。与形成栅极之后在进行退火处理的GateFirst工艺相比，GateLast工艺将栅极的形成放到了热处理过程之后，这避免了栅极承受退火处理的高温环境，保护了晶体管尤其是pMOS部分，可以带来更加稳定的Vt电压。更低更稳定的Vt有助于进一步控制芯片的整体发热，让其能够在更低的电压下运行在更高的频率上。

nMOS与pMOS结构细节差异

　　由于结构的不同，随着栅极尺寸的不断下降，构成栅极的nMOS与pMOS的尺寸差异也在逐渐加大。由GateFirst工艺决定的传统的统一使用硅基材料或者单独为pMOS进行掺杂的方法，已经很难保证尺寸差异给性能和稳定性带来的影响了。得益于GateLast工艺的工艺转型，在Tahiti使用的28nm HKMG工艺中，TSMC全球首次将nMOS与pMOS分开处理，在nMOS中使用La2O3构建上覆层（layer Overlying），而pMOS则由Al2O3来构筑。通过将nMOS与pMOS分开处理，HD7900不仅获得了更好的晶体管性能，更进一步提升了整体良率。

Intel 32nm High-K栅极

　　关于更多TSMC 28nm工艺的细节，我们会在未来为大家带来更多详细的解析。

　　● ALU团簇：Compute Unit