45纳米:高K材料和金属栅极的引入
● 传统材料晶体管发展的瓶颈
在英特尔2006年发布酷睿系列处理器以来，就提出了“Tick-Tock”的发展策略，即每隔一年交替推出新一代的先进制程技术和处理器微体系架构，这也因此在2007年到2009年英特尔先后推出了45纳米工艺、Nehalem架构、32纳米工艺技术。其中45纳米是一个关键点，在谈及这一点的时候，我们还是先熟悉一下半导体材料。当然，更加详细的半导体制造工艺流程这里我们不做过多讨论。
以往的几十年里，晶体管的栅极绝缘层（Gate Dielectric）采用的都是以二氧化硅为主的材料，作为栅极介电材料，随着工艺制程的不断发展，这种栅极绝缘层的厚度也在不断降低。所谓栅极（Gate），就是用来控制开和关的晶体管氧化层。在英特尔2005年推出65纳米工艺的时候，依然是采用这种绝缘层，但是此时栅极介质的厚度已经非常薄，厚度只有1.2纳米，只相当于5层原子的厚度。
绝缘层厚度的不断减小会导致漏电电流的产生，这样尽管制造工艺提升上去了，集成度提高了，但是耗电量却并没有随之减少，同时还会产生不必要的热能，一些晶体管有可能在“关闭”状态下仍然是通电的，这样就会带来致命的电路错误。这些因素都让晶体管的缩小接近极限。
● HK+MG的引进
导致这种情况出现的原因，主要在于二氧化硅的介电常数（K-希腊文字Kappa简写）为3.9，这已经不足以将厚度只有1.2纳米的绝缘层的漏电率控制在正常水平。因此英特尔之前一直在寻找高K的材料，拥有高介电常数的材料显然拥有更好的把握电流能力。于是在45纳米工艺引入的时候，第一次采用了“铪（Hafnium）”作为High-K栅极介质的基础物质，取代了沿用40年的二氧化硅，大幅度降低漏电率，同时栅极也采用金属栅极（Metal Gate）取代了以往的多晶硅（Polysilicon）栅极，所以总体来看，也就称为High-k + Metal Gate（HK+MG）。当然详细的金属栅极的材料信息仍属机密，我们无法知道太多，只知道它具有非常高的导电率。总体来说，铪和金属栅极的引入不愧为40年来最重要的一次变革。
从数据来看，这种材料对电流的把握能力达到了传统二氧化硅的10倍，同时漏电率达到了5倍以上，也就是说英特尔45纳米工艺当中，在晶体管开启的状态下，从S极（源极）到D极（漏极）的漏电量大幅度降低。而从金属栅极到晶体硅衬底（Silicon Substrate）的驱动电流效率提升20%以上。数据表明，45纳米晶片每秒钟能够进行约三千亿次的开关动作，即晶体管的性能提升20%，同时功耗降低30%。
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