Характеристика процессоров различных архитектур

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

транзистор процессор литография микросхема

1. История развития микроэлектроники. Закон Мура

2. Зачем уменьшать размеры транзисторов

3. Технология производства микросхем

4. Оптическая литография

5. Процессоры Penryn

6. Особенности процессоров с архитектурой Penryn

7. High-k диэлектрики, металлические затворы и другие Особенности 45 нм процесса

8. Характеристики 65 нм процессора

9. 45 нм процессор против 65 нм

Вывод

1. История развития микроэлектроники

На простейшем уровне любой современный процессор состоит из огромного количества транзисторов, выполняющих функции электронных микроскопических переключателей. В отличие от обычного переключателя, транзисторы практически безынерционны и способны переключаться миллиарды и триллионы раз в секунду. Однако, чтобы обеспечить столь высокую скорость переключения, необходимо сделать эти транзисторы как можно меньше. Кроме того, производительность любого процессора в конечном счете определяется количеством транзисторов. Именно поэтому со времени создания первой интегральной микросхемы в 1959 году развитие отрасли шло в направлении уменьшения размера транзисторов и одновременного увеличения плотности их размещения на микросхеме.

Когда говорят о прогнозах по увеличению плотности размещения и уменьшению геометрических размеров транзисторов, обычно упоминают так называемый закон Мура. Конечно, строго говоря, никакого закона Мура не существует. Все началось в 1965 году, за три года до того, как Гордон Мур (Gordon E. Moore) стал одним из основателей корпорации Intel. В то время технология производства интегральных микросхем позволяла интегрировать в одной микросхеме порядка трех десятков транзисторов, а группа ученых, возглавляемая Гордоном Муром, завершала разработку новых микросхем, объединяющих в себе 60 транзисторов.

По просьбе журнала Electronics Гордон Мур написал статью, приуроченную к 35-й годовщине указанного издания. В этой статье Мура попросили сделать прогноз относительно того, как будут совершенствоваться полупроводниковые устройства в течение ближайших десяти лет. Проанализировав темпы развития полупроводниковых устройств и экономические факторы за прошедшие шесть лет, Мур предположил, что к 1975 году количество транзисторов в одной интегральной микросхеме составит 65 тыс. Именно этот прогноз, вынесенный в преамбулу, на ближайшие десять лет стал определять развитие микроэлектроники.

По прогнозу Мура, количество транзисторов в одной микросхеме за десять лет должно было увеличиться более чем в 1000 раз. А это означало, что каждый год количество транзисторов в одной микросхеме должно удваиваться.

Кроме предсказания экспоненциального роста плотности размещения транзисторов, Мур сделал и другой важный и на первый взгляд парадоксальный вывод. Сокращение размеров транзисторов должно неизбежно привести к тому, что интегральные микросхемы на их основе будут все дешевле, мощнее и доступнее. Из этого следовало, что изменится электронная отрасль в целом.

Конечно, в 1965 году ни сам Гордон Мур, ни кто-либо другой не мог предположить, что опубликованный прогноз на ближайшие десять лет не только в точности сбудется, но и послужит основой для формулирования эмпирического правила развития всей полупроводниковой технологии на много лет вперед.

Впрочем, с предсказанием Мура было не все гладко. К 1975 году рост количества элементов в одной микросхеме стал немного отставать от прогноза. Тогда Гордон Мур скорректировал период обновления до 24 месяцев, чтобы компенсировать ожидаемое увеличение сложности полупроводниковых компонентов. В конце 1980-х годов одним из руководителей корпорации Intel была внесена еще одна поправка, и прогноз Мура стал означать удвоение вычислительной производительности каждые 18 месяцев (вычислительная производительность, измеряемая в миллионах команд в секунду (MIPS), увеличивается благодаря росту количества транзисторов).

До сих пор мы преднамеренно употребляли слова «прогноз» или «предсказание» Мура, однако в литературе чаще встречается выражение «закон Мура». Дело в том, что после опубликования упомянутой статьи в журнале Electronics профессор Карвер Мид, коллега Мура из Калифорнийского технологического института, дал этому прогнозу название «закон Мура», и оно прижилось.

Хотя в законе Мура говорится лишь об экспоненциальном возрастании числа транзисторов на одной микросхеме, сводить все к одному этому утверждению было бы неверно. Точнее, сам факт увеличения плотности размещения транзисторов за счет сокращения их размеров сопровождается важными последствиями. Действительно, если говорить просто о количестве транзисторов в одной микросхеме (табл. 1), то со времени 30-транзисторных компонентов 1965 года это количество возросло на много порядков. В 1975 году количество компонентов достигло 65 тыс. К 1989 году процессор Intel i486 содержал 1,4 млн. транзисторов. А в 2002 году корпорация Intel анонсировала процессор Intel Pentium 4 на основе 0,13-микронной технологии, вмещающий 55 млн. транзисторов в одном кристалле. В процессоре Intel Pentium 4 на основе 90-нанометрового технологического процесса количество транзисторов насчитывает уже около 125 млн., а в недалеком будущем технология производства интегральных микросхем позволит увеличивать количество транзисторов на сотни миллионов ежегодно.

Таблица 1. История развития процессоров компании Intel

2. Зачем уменьшать размеры транзисторов

Одновременно с увеличением количества транзисторов улучшаются почти все параметры микропроцессорной технологии, главные из которых -- скорость, производительность и энергопотребление. Так, процессор i486 работал на тактовой частоте 25 МГц. Современные процессоры Pentium 4 имеют тактовые частоты уже более 3 ГГц. Процессор с миллиардом транзисторов, как ожидается, будет работать на частоте, приближающейся к 20 ГГц.

Вообще же, если считать, что длина затвора транзистора уменьшается в M раз, то в такое же количество раз уменьшается рабочее напряжение затвора. Кроме того, в M раз возрастает скорость работы транзистора и квадратично увеличивается плотность размещения транзисторов на кристалле, а рассеиваемая мощность уменьшается в M2 раз (табл. 2).

Таблица 2. Изменение характеристик транзистора при уменьшении его геометрических размеров

Уменьшение размеров транзисторов -- это фактически единственный способ увеличения производительности процессоров. Однако реализовать это на практике не так-то легко.

3. Как делают микросхемы

Чтобы понять, в чем заключается основное различие между этими двумя технологиями, необходимо сделать краткий экскурс в саму технологию производства современных процессоров или интегральных микросхем.

Как известно из школьного курса физики, в современной электронике основными компонентами интегральных микросхем являются полупроводники p-типа и n-типа (в зависимости от типа проводимости). Полупроводник -- это вещество, по проводимости превосходящее диэлектрики, но уступающее металлам. Основой полупроводников обоих типов может служить кремний (Si), который в чистом виде (так называемый собственный полупроводник) плохо проводит электрический ток, однако добавление (внедрение) в кремний определенной примеси позволяет радикально изменить его проводящие свойства. Существует два типа примеси: донорная и акцепторная. Донорная примесь приводит к образованию полупроводников n-типа c электронным типом проводимости, а акцепторная -- к образованию полупроводников p-типа с дырочным типом проводимости. Контакты p- и n-полупроводников позволяют формировать транзисторы -- основные структурные элементы современных микросхем. Такие транзисторы, называемые КМОП-транзисторами, могут находиться в двух основных состояниях: открытом, когда они проводят электрический ток, и запертом -- при этом они электрический ток не проводят. Поскольку КМОП-транзисторы являются основными элементами современных микросхем, поговорим о них подробнее.

Как устроен КМОП-транзистор

Простейший КМОП-транзистор n-типа имеет три электрода: исток, затвор и сток. Сам транзистор выполнен в полупроводнике p-типа с дырочной проводимостью, а в областях стока и истока формируются полупроводники n-типов с электронной проводимостью. Естественно, что за счет диффузии дырок из p-области в n-область и обратной диффузии электронов из n-области в p-область на границах переходов p- и n-областей формируются обедненные слои (слои, в которых отсутствуют основные носители зарядов). В обычном состоянии, то есть когда к затвору не прикладывается напряжение, транзистор находится в «запертом» состоянии, то есть не способен проводить ток от истока к стоку. Ситуация не меняется, даже если приложить напряжение между стоком и истоком (при этом мы не принимаем во внимание токи утечки, вызванные движением под воздействием формируемых электрических полей неосновных носителей заряда, то есть дырок для n-области и электронов для p-области).

Однако если к затвору приложить положительный потенциал , то ситуация в корне изменится. Под воздействием электрического поля затвора дырки выталкиваются в глубь p-полупроводника, а электроны, наоборот, втягиваются в область под затвором, образуя обогащенный электронами канал между истоком и стоком. Если приложить к затвору положительное напряжение, эти электроны начинают двигаться от истока к стоку. При этом транзистор проводит ток -- говорят, что транзистор «открывается». Если напряжение с затвора снимается, электроны перестают втягиваться в область между истоком и стоком, проводящий канал разрушается и транзистор перестает пропускать ток, то есть «запирается». Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно открывать или запирать транзистор, аналогично тому, как можно включать или выключать обычный тумблер, управляя прохождением тока по цепи. Именно поэтому транзисторы иногда называют электронными переключателями. Однако, в отличие от обычных механических переключателей, КМОП-транзисторы практически безынерционны и способны переходить из открытого в запертое состояние триллионы раз в секунду! Именно этой характеристикой, то есть способностью мгновенного переключения, и определяется в конечном счете быстродействие процессора, который состоит из десятков миллионов таких простейших транзисторов.

Итак, современная интегральная микросхема состоит из десятков миллионов простейших КМОП-транзисторов. Остановимся более подробно на процессе изготовления микросхем, первый этап которого -- получение кремниевых подложек.

Шаг 1. Выращивание болванок

Создание таких подложек начинается с выращивания цилиндрического по форме монокристалла кремния. В дальнейшем из таких монокристаллических заготовок (болванок) нарезают круглые пластины (wafers), толщина которых составляет приблизительно 1/40 дюйма, а диаметр -- 200 мм (8 дюймов) или 300 мм (12 дюймов). Это и есть кремниевые подложки, служащие для производства микросхем.

При формировании пластин из монокристаллов кремния учитывается то обстоятельство, что для идеальных кристаллических структур физические свойства в значительной степени зависят от выбранного направления (свойство анизотропии). К примеру, сопротивление кремниевой подложки будет различным в продольном и поперечном направлениях. Аналогично, в зависимости от ориентации кристаллической решетки, кристалл кремния будет по-разному реагировать на какие-либо внешние воздействия, связанные с его дальнейшей обработкой (например, травление, напыление и т.д.). Поэтому пластина должна быть вырезана из монокристалла таким образом, чтобы ориентация кристаллической решетки относительно поверхности была строго выдержана в определенном направлении.

Как уже отмечалось, диаметр заготовки монокристалла кремния составляет либо 200, либо 300 мм. Причем диаметр 300 мм -- это относительно новая технология. Понятно, что на пластине такого диаметра может разместиться далеко не одна микросхема, даже если речь идет о процессоре Intel Pentium 4. Действительно, на одной подобной пластине-подложке формируется несколько десятков микросхем (процессоров).

Шаг 2. Нанесение защитной пленки диэлектрика (SiO2)

После формирования кремниевой подложки наступает этап создания сложнейшей полупроводниковой структуры.

Для этого в кремний нужно внедрить так называемые донорную и акцепторную примеси. Однако возникает вопрос -- как осуществить внедрение примесей по точно заданному рисунку-шаблону? Для того чтобы это стало возможным, те области, куда не требуется внедрять примеси, защищают специальной пленкой из диоксида кремния, оставляя оголенными только те участки, которые подвергаются дальнейшей обработке (рис. 2). Процесс формирования такой защитной пленки нужного рисунка состоит из нескольких этапов.

На первом этапе вся пластина кремния целиком покрывается тонкой пленкой диоксида кремния (SiO2), который является очень хорошим изолятором и выполняет функцию защитной пленки при дальнейшей обработке кристалла кремния. Пластины помещают в камеру, где при высокой температуре (от 900 до 1100 °С) и давлении происходит диффузия кислорода в поверхностные слои пластины, приводящая к окислению кремния и к образованию поверхностной пленки диоксида кремния. Для того чтобы пленка диоксида кремния имела точно заданную толщину и не содержала дефектов, необходимо строго поддерживать постоянную температуру во всех точках пластины в процессе окисления. Если же пленкой из диоксида кремния должна быть покрыта не вся пластина, то предварительно на кремниевую подложку наносится маска Si3N4, предотвращающая нежелательное окисление.

Шаг 3. Нанесение фоторезистива

После того как кремниевая подложка покроется защитной пленкой диоксида кремния, необходимо удалить эту пленку с тех мест, которые будут подвергаться дальнейшей обработке. Удаление пленки осуществляется посредством травления, а для защиты остальных областей от травления на поверхность пластины наносится слой так называемого фоторезиста. Термином «фоторезисты» обозначают светочувствительные и устойчивые к воздействию агрессивных факторов составы. Применяемые составы должны обладать, с одной стороны, определенными фотографическими свойствами (под воздействием ультрафиолетового света становиться растворимыми и вымываться в процессе травления), а с другой -- резистивными, позволяющими выдерживать травление в кислотах и щелочах, нагрев и т.д. Основное назначение фоторезистов -- создание защитного рельефа нужной конфигурации.

Процесс нанесения фоторезиста и его дальнейшее облучение ультрафиолетом по заданному рисунку называется фотолитографией и включает следующие основные операции: формирование слоя фоторезиста (обработка подложки, нанесение, сушка), формирование защитного рельефа (экспонирование, проявление, сушка) и передача изображения на подложку (травление, напыление и т.д.).

Перед нанесением слоя фоторезиста на подложку последняя подвергается предварительной обработке, в результате чего улучшается ее сцепление со слоем фоторезиста. Для нанесения равномерного слоя фоторезиста используется метод центрифугирования. Подложка помещается на вращающийся диск (центрифуга), и под воздействием центробежных сил фоторезист распределяется по поверхности подложки практически равномерным слоем. (Говоря о практически равномерном слое, учитывают то обстоятельство, что под действием центробежных сил толщина образующейся пленки увеличивается от центра к краям, однако такой способ нанесения фоторезиста позволяет выдержать колебания толщины слоя в пределах ±10%.)

Шаг 4. Литография

После нанесения и сушки слоя фоторезиста наступает этап формирования необходимого защитного рельефа. Рельеф образуется в результате того, что под действием ультрафиолетового излучения, попадающего на определенные участки слоя фоторезиста, последний изменяет свойства растворимости, например освещенные участки перестают растворяться в растворителе, которые удаляют участки слоя, не подвергшиеся освещению, или наоборот -- освещенные участки растворяются. По способу образования рельефа фоторезисты делят на негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием ультрафиолетового излучения образуют защитные участки рельефа. Позитивные фоторезисты, напротив, под воздействием ультрафиолетового излучения приобретают свойства текучести и вымываются растворителем. Соответственно защитный слой образуется в тех участках, которые не подвергаются ультрафиолетовому облучению.

Для засветки нужных участков слоя фоторезиста используется специальный шаблон-маска. Чаще всего для этой цели применяются пластинки из оптического стекла с полученными фотографическим или иным способом непрозрачными элементами. Фактически такой шаблон содержит рисунок одного из слоев будущей микросхемы (всего таких слоев может насчитываться несколько сотен). Поскольку этот шаблон является эталоном, он должен быть выполнен с большой точностью. К тому же с учетом того, что по одному фотошаблону будет сделано очень много фотопластин, он должен быть прочным и устойчивым к повреждениям. Отсюда понятно, что фотошаблон -- весьма дорогая вещь: в зависимости от сложности микросхемы он может стоить десятки тысяч долларов.

Ультрафиолетовое излучение, проходя сквозь такой шаблон, засвечивает только нужные участки поверхности слоя фоторезиста. После облучения фоторезист подвергается проявлению, в результате которого удаляются ненужные участки слоя. При этом открывается соответствующая часть слоя диоксида кремния.

Несмотря на кажущуюся простоту фотолитографического процесса, именно этот этап производства микросхем является наиболее сложным. Дело в том, что в соответствии с предсказанием Мура количество транзисторов на одной микросхеме возрастает экспоненциально (удваивается каждые два года). Подобное возрастание числа транзисторов возможно только благодаря уменьшению их размеров, но именно уменьшение и «упирается» в процесс литографии. Для того чтобы сделать транзисторы меньше, необходимо уменьшить геометрические размеры линий, наносимых на слой фоторезиста. Но всему есть предел -- сфокусировать лазерный луч в точку оказывается не так-то просто. Дело в том, что в соответствии с законами волновой оптики минимальный размер пятна, в который фокусируется лазерный луч (на самом деле это не просто пятно, а дифракционная картина), определяется кроме прочих факторов и длиной световой волны. Развитие литографической технологии со времени ее изобретения в начале 70-х шло в направлении сокращения длины световой волны. Именно это позволяло уменьшать размеры элементов интегральной схемы. С середины 80-х в фотолитографии стало использоваться ультрафиолетовое излучение, получаемое с помощью лазера. Идея проста: длина волны ультрафиолетового излучения меньше, чем длина волны света видимого диапазона, следовательно, возможно получить и более тонкие линии на поверхности фоторезиста. До недавнего времени для литографии использовалось глубокое ультрафиолетовое излучение (Deep Ultra Violet, DUV) с длиной волны 248 нм. Однако когда фотолитография перешагнула границу 200 нм, возникли серьезные проблемы, впервые поставившие под сомнение возможность дальнейшего использования этой технологии. Например, при длине волны меньше 200 мкм слишком много света поглощается светочувствительным слоем, поэтому усложняется и замедляется процесс передачи шаблона схемы на процессор. Подобные проблемы побуждают исследователей и производителей искать альтернативу традиционной литографической технологии.

Новая технология литографии, получившая название ЕUV-литографии (Extreme UltraViolet -- сверхжесткое ультрафиолетовое излучение), основана на использовании ультрафиолетового излучения с длиной волны 13 нм.

Переход с DUV- на EUV-литографию обеспечивает более чем 10-кратное уменьшение длины волны и переход в диапазон, где она сопоставима с размерами всего нескольких десятков атомов.

Применяемая сейчас литографическая технология позволяет наносить шаблон с минимальной шириной проводников 100 нм, в то время как EUV-литография делает возможной печать линий гораздо меньшей ширины -- до 30 нм. Управлять ультракоротким излучением не так просто, как кажется. Поскольку EUV-излучение хорошо поглощается стеклом, то новая технология предполагает использование серии из четырех специальных выпуклых зеркал, которые уменьшают и фокусируют изображение, полученное после применения маски. Каждое такое зеркало содержит 80 отдельных металлических слоев толщиной примерно в 12 атомов.

Шаг 5. Травление

После засвечивания слоя фоторезиста наступает этап травления (etching) с целью удаления пленки диоксида кремния .

Часто процесс травления ассоциируется с кислотными ваннами. Такой способ травления в кислоте хорошо знаком радиолюбителям, которые самостоятельно делали печатные платы. Для этого на фольгированный текстолит лаком, выполняющим функцию защитного слоя, наносят рисунок дорожек будущей платы, а затем опускают пластину в ванну с азотной кислотой. Ненужные участки фольги стравливаются, обнажая чистый текстолит. Этот способ имеет ряд недостатков, главный из которых -- невозможность точно контролировать процесс удаления слоя, так как слишком много факторов влияют на процесс травления: концентрация кислоты, температура, конвекция и т.д. Кроме того, кислота взаимодействует с материалом по всем направлениям и постепенно проникает под край маски из фоторезиста, то есть разрушает сбоку прикрытые фоторезистом слои. Поэтому при производстве процессоров используется сухой метод травления, называемый также плазменным. Такой метод позволяет точно контролировать процесс травления, а разрушение вытравливаемого слоя происходит строго в вертикальном направлении.

При использовании сухого травления для удаления с поверхности пластины диоксида кремния применяется ионизированный газ (плазма), который вступает в реакцию с поверхностью диоксида кремния, в результате чего образуются летучие побочные продукты.

После процедуры травления, то есть когда оголены нужные области чистого кремния, удаляется оставшаяся часть фотослоя. Таким образом, на кремниевой подложке остается рисунок, выполненный диоксидом кремния.

Шаг 6. Диффузия (ионная имплантация)

Напомним, что предыдущий процесс формирования необходимого рисунка на кремниевой подложке требовался для того, чтобы создать в нужных местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной или акцепторной примеси. Процесс внедрения примесей осуществляется посредством диффузии -- равномерного внедрения атомов примеси в кристаллическую решетку кремния. Для получения полупроводника n-типа обычно используют сурьму, мышьяк или фосфор. Для получения полупроводника p-типа в качестве примеси используют бор, галлий или алюминий.

Для процесса диффузии легирующей примеси применяется ионная имплантация. Процесс имплантации заключается в том, что ионы нужной примеси «выстреливаются» из высоковольтного ускорителя и, обладая достаточной энергией, проникают в поверхностные слои кремния.

Итак, по окончании этапа ионной имплантации необходимый слой полупроводниковой структуры создан. Однако в микропроцессорах таких слоев может насчитываться несколько. Для создания очередного слоя на полученном рисунке схемы выращивается дополнительный тонкий слой диоксида кремния. После этого наносятся слой поликристаллического кремния и еще один слой фоторезиста. Ультрафиолетовое излучение пропускается сквозь вторую маску и высвечивает соответствующий рисунок на фотослое. Затем опять следуют этапы растворения фотослоя, травления и ионной имплантации.

Шаг 7. Напыление и осаждение

Наложение новых слоев осуществляется несколько раз, при этом для межслойных соединений в слоях оставляются «окна», которые заполняются атомами металла; в результате на кристалле создаются металлические полоски -- проводящие области. Таким образом в современных процессорах устанавливаются связи между слоями, формирующими сложную трехмерную схему. Процесс выращивания и обработки всех слоев длится несколько недель, а сам производственный цикл состоит из более чем 300 стадий. В результате на кремниевой пластине формируются сотни идентичных процессоров.

Чтобы выдержать воздействия, которым подвергаются пластины в процессе нанесения слоев, кремниевые подложки изначально делаются достаточно толстыми. Поэтому, прежде чем разрезать пластину на отдельные процессоры, ее толщину уменьшают на 33% и удаляют загрязнения с обратной стороны. Затем на тыльную сторону подложки наносят слой специального материала, улучшающего крепление кристалла к корпусу будущего процессора.

Шаг 8. Заключительный этап

По окончании цикла формирования все процессоры тщательно тестируются. Затем из пластины-подложки с помощью специального устройства вырезаются конкретные, уже прошедшие проверку кристаллы.

Каждый микропроцессор встраивается в защитный корпус, который также обеспечивает электрическое соединение кристалла микропроцессора с внешними устройствами. Тип корпуса зависит от типа и предполагаемого применения микропроцессора.

После запечатывания в корпус каждый микропроцессор повторно тестируется. Неисправные процессоры отбраковывают, а исправные подвергают нагрузочным испытаниям. Затем процессоры сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.

4. Оптическая литография

Как известно, одним из важнейших этапов в производстве микросхем является литографический процесс. Литография -- это технология, используемая для нанесения рисунка будущей микросхемы на слой фоторезиста посредством специальных литографических масок. Различают два типа литографии -- теневую и проекционную.

При теневой литографии (рис. 3) литографическая маска и подложка, которая подвергается экспонированию, либо находятся в непосредственном контакте друг с другом (контактная литография), либо между ними есть небольшой (от 10 до 50 мкм) зазор. Контактная литография позволяет получить разрешение порядка 1 мкм, однако прямой контакт между маской и подложкой приводит к образованию нежелательных примесей на подложке и на маске-шаблоне. Теневая литография с зазором между маской и подложкой не имеет такого недостатка, но за счет дифракции светового излучения на маске происходит частичное размытие краев рисунка на величину от 2 до 5 мкм, что сильно ограничивает разрешающую способность литографии.

Рис. 3. Два типа теневой литографии: а) контактная; б) с зазором между маской и подложкой

Важнейшей характеристикой литографического процесса является его разрешающая способность. От разрешающей способности напрямую зависит минимальная толщина линии, которую можно нанести на фоторезисте. Для теневой контактной литографии минимальная толщина линии в точности равна ее толщине на маске-шаблоне.

5. Процессоры Penryn

Четырехъядерные процессоры Penryn включают около 820 млн. транзисторов, которые разместятся на двух кристаллах площадью 107 мм2. Для сравнения, современные четырехъядерные процессоры Intel Kentsfield имеют 582 млн. транзисторов, при этом площади кристаллов четырехъядерных процессоров, выпускающихся по 65-нм нормам, составляют 144 мм²

Интересной является технология Enhanced Dynamic Acceleration Technology (EDAT). Её идея состоит в следующем. Для простоты возьмем случай с двухъядерным процессором. Поскольку в однопоточных приложениях от многоядерности толку мало, основную роль здесь играет производительность отдельно взятого ядра. Поэтому Intel предусмотрела увеличение частоты работающего ядра (non-idle core), в то время как второе (idle core) находится в одном из состояний бездействия (C3-C6) и его тепловыделение резко сокращается. Эту разницу использует работающее ядро и повышает свою частоту до достижения процессором граничного уровня TDP.

Согласно внутренним тестам Intel, в игровых приложениях наблюдается 20-ти процентный прирост производительности чипов, а в операциях с декодированием видео (при условии использования SSE4) - более 40% прирост. Если сравнивать серверный процессор Penryn с частотой более 3 ГГц и четырехъядерный Xeon (Xeon X5355, 2,66 ГГц, FSB 1333 МГц), прирост в приложениях, интенсивно использующих операции с плавающей запятой и чувствительных к пропускной способности, составит около 45%.

Переход на столь прецизионные нормы производства с очевидным изменением физико-химических свойств компонентов схемы потребовал от инженеров применения совершенно новых материалов и технологий для работы с подложкой, создания перехода транзисторов, их электродов и так далее - всё для достижения меньших токов утечек и более экономной работы чипа без снижения производительности на ватт затраченной энергии.

И, наконец, в-третьих изменилась архитектура ядра процессоров с рабочим названием Penryn, хотя, они по-прежнему представляют собой представителей микроархитектуры Core (Merom). Поколения микроархитектур процессоров сменяют друг друга реже чем различные дизайны ядер (и даже реже чем новые техпроцессы).

Дизайн ядра с рабочим названием Penryn - не что иное как усовершенствованный дизайн Merom с одновременным переходом на 45-нм нормы производства. Семейство 45 нм чипов Penryn было основой для новых Core 2-ядерных чипов Wolfdale и 4-ядерных чипов Yorkfield, шедших на замену 65 нм процессорам Core 2 Duo и Core 2 Quad соответственно.

Соответственно, процессоры семейства Penryn легли в основу нового поколения мобильной платформы Intel Centrino с кодовым названием Montevina, появившаяся в первом полугодии 2008, заменила собой версию Santa Rosa.

6. Особенности процессоров с архитектурой Penryn

Инновации, реализованные в архитектуре процессоров Penryn относительно предыдущих процессоров: увеличившееся количество транзисторов - более 410 млн. для двухъядерного дизайна (291 млн. транзисторов у 65 нм 2-ядерного Conroe) и более 820 млн. для четырёхъядерного Yorkfield, при уменьшившейся до 110 ммІ площади кристалла (у Conroe - 143 ммІ). Именно здесь просматривается сохранение закона Мура, согласно которому по-прежнему с периодичностью примерно раз в два года удваивается количество транзисторов, снижается удельная цена изготовления одного транзистора, увеличивается производительность.

Среди чипов также присутствуют варианты с объёмом кэша L2 до 12 Мб, а в целом всё семейство отличается повышенной производительностью и расширенными возможностями управления режимами энергопотребления. По поводу энергопотребления 45 нм процессоров Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Core 2 Quad и Xeon с ядром Penryn известно, что в целом TDP соответствует около 35 Вт у чипов для ноутбуков, порядка 65 Вт у mainstream-чипов для настольных ПК, около 80 Вт - у 4-ядерных серверных процессоров и чипов для экстремальных геймеров, при увеличенной производительности.

7. High-k диэлектрики, металлические затворы и другие нововведения 45 нм техпроцесса

Через год после показа первых 45 нм пластин с памятью SRAM, были показаны первые процессоры Penryn и появились дополнительные подробности об используемых материалах и технологиях. Прежде всего стоит отметить, что переход на новые, более прецизионные нормы техпроцесса влечёт за собой необходимость решения вопросов уменьшения токов утечек транзисторов, что напрямую влияет на энергопотребление и тепловыделение чипа в целом, и всё это на фоне увеличения производительности и усложнения архитектуры и топологии процессора.

При переходе к нормам 45 нм техпроцесса для создания затворов транзисторов с малыми токами утечек инженерам Intel пришлось использовать новый материал для диэлектрика - так называемый high-k диэлектрик, в сочетании с новым материалом электрода затвора транзистора из сочетания металлов. Дело в том, что диоксид кремния (SiO2, традиционно использовавшийся в качестве диэлектрика для создания затвора транзистора на протяжении сорока лет, просто-напросто исчерпал свои физические возможности. При разработке предыдущего 65 техпроцесса инженерам Intel удалось создать слой диэлектрика из диоксида кремния с легирующими углеродистыми присадками толщиной 1,2 нм - всего пять атомных слоёв!

Однако дальнейшее снижение толщины этого слоя приводит к появлению эффекта прямого тунеллирования и резкому увеличению тока утечки через материал диэлектрика затвора - по сути, диоксида кремния перестаёт быть препятствием для свободного дрейфа электронов, которые в таких условиях проявляют свойства уже не только частиц, но и волны, и никакой возможности гарантированно управлять состоянием такого транзистора уже нет.

Решить эту критическую проблему инженерам Intel помог подбор другого типа диэлектрика.

Для этого диоксид кремния был заменён на тонкий слой материала на базе солей редкоземельного металла гафния с высоким показателем диэлектрической проницаемости k (high-k), в результате чего ток утечки удалось сократить более чем в десять раз по сравнению с традиционным диоксидом кремния.

Однако не всё оказалось так гладко. Физика физикой, но химия нового чудесного затвора из high-k диэлектрика оказалось не совместимой с традиционно применяемым для изготовления электрода затвора кремнием, и этот вопрос оказался для инженеров Intel вторым крепким орешком при переходе на 45 нм производство. Требовалось разработать новый металлический затвор, совместимый с новым диэлектриком. Годы ушли на то, чтобы не только найти подходящий материал для электродов затвора, но также на разработку технологий его использования для затворов разной проводимости - NMOS и PMOS.

Количество материалов и химических элементов, задействованных в производстве современных чипов, растёт просто гигантскими шагами, ещё недавно их можно было насчитать десяток-другой, а теперь - более половины Периодической таблицы Д. И. Менделеева!

Технологический 45 нм процесс Intel носит название P1266, при этом литография при производстве чипов Penryn используется та же, что и при работе с 65 нм техпроцессом. Несмотря на новый дизайн фоторезистов и новое поколение фотомасок, использование всё тех же 193 нм литографических инструментов позволило значительно сократить затраты при переходе на 45 нм нормы производства.

Этот 45 нм техпроцесс Intel подразумевает меньшие размеры транзисторов при значительно более плотном размещении этих транзисторов на пластине - примерно в два раза более плотное, чем в случае предыдущего 65 нм поколения.

Уменьшившиеся размеры транзисторов привели к уменьшению примерно на 30% тока, требующегося для их переключения, при этом более чем на 20% выросла скорость переключения транзисторов, более чем в пять раз уменьшились токи утечки в канале "сток - исток", и более чем в десять раз снизились токи утечки диэлектрика затвора. Некоторые специалисты называют внедрение high-k диэлектриков и металлических материалов при создании электрода затвора более сложной и эффективной задачей, чем переход на новый прецизионный техпроцесс.

45 нм техпроцесс Intel с использованием 300 нм пластин внедрялся в Хиллсборо, Орегон, на фабрике D1D, на фабрике Fab 32 в Окотилло (Ocotillo), Аризона (начало массового производства в 2007 году) и фабрики Fab 28 в Израиле (начало массового производства в первом полугодии 2008).

8. Характеристики 65-нанометрового технологического процесса

В 65-нанометровом производстве применяется целый ряд передовых технологий. Например, самые маленькие в мире серийно изготавливаемые КМОП-транзисторы с длиной затвора 35 нм, что приблизительно на 30% меньше, чем при производстве по 90-нанометровой технологии. Толщина оксидного слоя затвора уменьшена до 1,2 нм (менее пяти атомарных слоев) (рис.4), а расстояние между стоком и истоком составляет всего 220 нм.

Рис. 4. Фотография транзистора, выполненного по 65-нанометровому технологическому процессу

В 65-нанометровом технологическом процессе используется на один слой межсоединений больше, чем в 90-нанометровом процессе (рис. 95). По оценкам Intel, применять в данном случае большее количество слоев межсоединений экономически невыгодно.

Рис. 5. Восемь слоев кристалла процессора в 65-нанометровом технологическом процессе

Интересно отметить, что толщина оксидного слоя затвора в новом 65-нанометровом технологическом процессе осталась такой же, как и в 90-нанометровом процессе. Фактически это означает ее намеренное увеличение, поскольку она должна была бы уменьшиться в 0,7 раза. Увеличение толщины оксидного слой затвора сделано специально для борьбы с токами утечки (при этом уменьшается подзатворная емкость).

В результате использования улучшенной технологии напряженного кремния удалось оптимизировать рабочий ток транзисторов. При фиксированном уровне тока утечки рабочий ток транзистора в 65-нанометровой технологии выше на 30%, тогда как прежде это улучшение составляло 10-20% в зависимости от типа транзистора и уровня тока утечек. В транзисторах, созданных по 65-нанометровой технологии, объем утечки уменьшен в четыре раза по сравнению с транзисторами на базе 90-нанометровой производственной технологии. В результате транзисторы на базе 65-нанометровой производственной технологии обеспечивают более высокую производительность без повышения утечки (большая утечка электрического тока приводит к выделению большого количества тепла).

Кроме того, корпорация Intel включила в микросхемы SRAM на базе 65-нанометровой производственной технологии так называемые транзисторы сна (sleep transistors), которые отключают подачу тока на большие блоки памяти SRAM, когда те не используются, что значительно снижает энергопотребление микросхемы. Эта функция особенно хорошо подходит для устройств с питанием от батареи, например для мобильных ПК.

Количество транзисторов сна в микросхеме памяти -- это менее 1% от суммарной площади всех ячеек памяти, а эффект от их использования -- троекратное снижение тока утечки кристалла

9. 45 нм против 65 нм

Вывод

45 нм процессоры были лишь немногим привлекательнее 65 нм предшественников. Основными достоинствами были более низкий уровень тепловыделения, снизилось его энергопотребление, а также создана поддержка набора инструкций SSE 4.1, которая дала прибавку производительности в оптимизированном ПО. Аналогично, пользователи получили прирост скорости в тех приложениях, производительность которых зависит от объёма кэш-памяти второго уровня. Что касается компьютерных энтузиастов, то для них 45 нм процессоры - лучший выбор. Дело в том, что частота 4 ГГц вполне достижима без экстремального разгона и без использования высококачественных компонентов.

Но технологии не стоят на месте, и спустя всего лишь 5 лет после своего появления 45 нм микропроцессоры стремительно уходят в историю. И в наши дни никого не удивить появлением 15 нм процессоров. Но если придерживаться Закона Мура, то что нас ждёт после того, как микропроцессоры достигнут 1 нм? Тогда потребуются кардинально новые технологии для создания уже совершенно иных процессоров, так как всё в наших нынешних процессорах упирается в размеры транзисторов - если продолжать их уменьшать, то на процессоре станут сказываться различные негативные факторы: будь то токи утечки, повышенное тепловыделения и т.п. Весь мир возлагает большие надежды на построение квантового компьютера - фундаментальную задачу физики XXI века, которую прямо сейчас решают учёные многих стран. И уже появилась первая рабочая модель такого процессора, разработанная компанией IBM. И пусть он пока крайне мал и несовершенен, это большой шаг для нас, дающий надежду на то, что высокотехнологическое будущее не за горами. Но это уже совсем другая история.

Размещено на Allbest.ru