Intel первой демонстрирует чипы 45 нм

Мы стоим на пороге очередного витка процессорной гонки. Казалось бы, совсем недавно ведущие чипмейкеры перешли на норму 65 нм, и вот появилось сообщение о новом прорыве в этом направлении. Intel продемонстрировала первые прототипы микросхем, созданные на основе 45-нанометровой технологии.

Итак, как сообщается в официальном пресс-релизе, ведущий производитель полупроводников в мире заявил об одном из наиболее значительных достижений в фундаментальных принципах проектирования транзисторов. Объявлено, что Intel уже использует два совершенно новых материала для создания подзатворных диэлектриков полевых транзисторов, изготовляемых на основе технологического процесса с допуском 45 нм. Компания уже располагает работоспособными опытными образцами пяти из 15 своих будущих моделей, выпуск которых запланирован с применением новых решений.

Переход на них позволит не только уменьшить размеры процессоров, при этом увеличив их число на пластине и уменьшив стоимость, но и снизить энергопотребление и уровень шума. Особо подчеркивается, что подобный технологический прорыв укрепляет уверенность в том, что закон Мура не потеряет своей актуальности и в будущем десятилетии.

Пластина с памятью SRAM, выполненная по технологии 45 нм

Специалисты Intel уверены – создание первых прототипов работоспособных чипов по технологии 45 нм позволило опередить конкурентов более чем на год. Продемонстрированные процессоры относятся к числу продукции следующего поколения под кодовым наименованием Penryn. Опытные образцы предназначены для пяти различных сегментов компьютерного рынка и на них успешно была протестирована работа ОС Windows Vista, Mac OS X, Windows XP и Linux, а также различных приложений. Как и планировалось ранее, массовый выпуск продукции на основе 45 нм начнется во второй половине текущего года.

Intel утверждает, что первой в индустрии начала использовать такое сочетание материалов, которое позволяет значительно сократить токи утечки транзисторов (одна из фундаментальных проблем современной полупроводниковой индустрии), одновременно повысив их быстродействие. Для создания диэлектрика под затвором транзистора применяется материал под названием high-k, а для электрода – сочетание металлических материалов.

Схема строения полевого транзистора, изготовленного с применением новых материалов

«Начало использования новых материалов, таких как high-k и металл, знаменует самое большое изменение в технологии производства транзисторов с конца 60-х годов прошлого века, когда появились МОП-транзисторы с затворами из поликристаллического кремния», – считает Гордон Мур (Gordon Moore), один из основателей корпорации Intel.

Интересно отметить, что новые транзисторы Intel в 5,5 раз миниатюрнее и занимают в 30 раз меньшую площадь, чем аналоги десятилетней давности, разработанные с применением самой современной на то время 0,25-микронной технологии.

Возможности традиционных материалов сегодня практически исчерпаны, поскольку при достижении некоторыми частями транзистора, по сути, атомных размеров увеличивается тепловыделение и начинают действовать фундаментальные физические ограничения. Поэтому данное нововведение является столь важным.

Диоксид кремния уже более 40 лет используется при изготовлении диэлектриков подзатворного слоя транзистора благодаря легкости его применения в массовом производстве и возможности постоянного повышения производительности транзисторов за счет уменьшения толщины слоя изолятора. Специалистам Intel удалось довести этот параметр до 1,2 нм (что равнозначно всего пяти атомарным слоям), и такой показатель был достигнут в 65-нанометровой технологии. Но дальнейшее уменьшение приводит к усилению туннельного тока утечки через диэлектрик, в результате чего увеличиваются потери тока и, как следствие, тепловыделение.

Рост тока утечки через затвор транзистора по мере уменьшения толщины слоя диэлектрика из диоксида кремния является одним из самых труднопреодолимых технических препятствий на пути следования закону Мура. Для решения этой принципиальной проблемы Intel заменила диоксид кремния на тонкий слой из материала high-k на основе гафния, что позволило уменьшить ток утечки более чем в 10 раз.

Материал high-k не совместим с традиционными кремниевыми электродами затвора, поэтому второй составляющей в ее новых транзисторах стала разработка электродов с применением металлических материалов. Причем название использованных металлов держится в секрете.

Сочетание диэлектрика затвора на основе материала high-k и металлических электродов в 45-нанометровой производственной технологии обеспечивает увеличение управляющего поля более чем на 20%. В то же время в пять раз сокращается ток утечки между истоком и стоком, что снижает и энергопотребление транзистора.

Новая производственная технология Intel также позволяет практически в два раза повысить плотность размещения транзисторов на кристалле по сравнению с процессом предыдущего поколения. Так как новые вентили меньше своих предшественников, то для их включения и выключения необходимо меньше электроэнергии, в результате чего напряжение переключения снижено приблизительно на 30%. Для внутренних соединений будут использоваться медные проводники с диэлектриками low-k, что обеспечит дополнительное повышение производительности и снижение энергопотребления. Планируется также внедрение новых топологических проектных норм и передовых методов создания масок, позволяющих применять текущую 193-нанометровую технологию сухой литографии для производства 45 нм, так как этот процесс является наиболее экономичным и широко используемым в массовом производстве.

Ядро процессора Penryn

Теперь что касается семейства процессоров с кодовым названием Penryn. Оно основано на микроархитектуре Intel Core, и в настоящее время в стадии разработки находится 15 его различных моделей. В двухъядерных чипах Penryn будет содержаться свыше 400 млн транзисторов, а в четырехъядерных – более 800 млн. При этом увеличится внутренняя тактовая частота процессорных ядер, а объем кэш-памяти достигнет 12 MB. В новинках будет реализовано около 50 новых инструкций Intel SSE4, которые повысят производительность при работе с мультимедийными приложениями и в задачах с интенсивными вычислениями.

Наиболее значительные вехи в истории разработки процессоров (по версии Intel)

  • 16 декабря 1947 г.: Уильям Шокли (William Shockley), Джон Бардин (John Bardeen) и Уолтер Браттейн (Walter Brattain) из Bell Labs создали первый транзистор.
  • 1950 г.: Уильям Шокли разработал биполярный планарный транзистор, сегодня это устройство обычно называют просто транзистором.
  • 1953 г.: выпущено первое коммерческое устройство на базе транзистора – слуховой аппарат.
  • 18 октября 1954 г.: появился первый транзисторный радиоприемник (Regency TR1), в нем использовалось всего четыре германиевых транзистора.
  • 25 апреля 1961 г.: выдан первый патент на интегральную схему; его получил Роберт Нойс (Robert Noyce), впоследствии ставший одним из основателей корпорации Intel.
  • 1965 г.: провозглашен закон Мура. Гордон Мур (Gordon Moore), также один из основателей корпорации Intel, в статье, опубликованной в журнале Electronics Magazine, предсказал, что число транзисторов на одной микросхеме будет удваиваться примерно каждый год (десять лет спустя прогноз был скорректирован на каждые два года).
  • Июль 1968 г.: Роберт Нойс и Гордон Мур уволились из Fairchild Semiconductor и основали новую компанию, получившую название Intel (сокращение от «integrated electronics» – микроэлектроника).
  • 1969 г.: Intel создала первую успешную транзисторную технологию на базе кремниевого затвора – PMOS. В транзисторах по-прежнему использовался затвор с диэлектриком из традиционного диоксида кремния (SiO2), однако появились новые управляющие электроды из поликристаллического кремния.
  • 1971 г.: Intel выпустила свой первый микропроцессор – 4004. Он имел размеры 1/8 дюйма на 1/16 дюйма (3,18×1,59 мм), содержал лишь немногим больше 2000 транзисторов и выпускался по 10-микронной производственной PMOS-технологии.
  • 1978 г.: 16-разрядный процессор 8088, содержащий 29 000 транзисторов, работал с тактовыми частотами 5,8 или 10 MHz. Важнейшее торговое соглашение с IBM (в 1981 г.) сделало Intel 8088 «мозгом» нового продукта на рынке – IBM PC.
  • 1982 г.: создан микропроцессор 286, известный также как 80286, – 16-разрядный чип Intel, способный выполнять программы, написанные для его предшественника. 286-й процессор содержал 134 тыс. транзисторов, его тактовые частоты составляли 6, 8, 10 и 12,5 MHz.
  • 1985 г.: выпущен микропроцессор Intel 386, содержащий 275 тыс. транзисторов. Он был уже 32-разрядным и поддерживал многозадачность.
  • 1993 г.: появился Pentium, насчитывающий 3 млн транзисторов и изготовленный по 0,8-микронной технологии.
  • Февраль 1999г.: Intel выпустила в продажу процессор Pentium III, содержащий более 9,5 млн транзисторов и выполненный по 0,18-микронной технологии.
  • Январь 2002 г.: представлен Pentium 4 c тактовой частотой 2,2 GHz, который выпускался по 0,13-микронной технологии и содержал 55 млн транзисторов.
  • 13 августа 2002 г.: Intel представила несколько технологических инноваций, вошедших в состав новой производственной технологии в 90 нм, среди которых были более производительные транзисторы с пониженным энергопотреблением, технология напряженного кремния, высокоскоростные медные межсоединения и новый диэлектрический материал low-k.
  • 12 марта 2003 г.: дата рождения Intel Pentium М, который уже выпускался по 0,13-микронной производственной технологии и состоял из 77 млн транзисторов.
  • 26 мая 2005 г.: дебютировал первый массовый двухъядерный чип – Pentium D, содержащий 230 млн транзисторов и выпускающийся по 90-нанометровой технологии.
  • 18 июля 2006 г.: начался выпуск двухъядерного процессора Intel Itanium 2, имеющего по сей день самую сложную в мире структуру и содержащего более 1,72 млрд транзисторов.
  • 27 июля 2006 г.: дебют нового двухъядерного процессора Intel Core 2 Duo, содержащего свыше 290 млн транзисторов, с использованием 65-нанометровой производственной технологии.
  • 8 января 2007 г.: начались продажи чипа Intel Core 2 Quad, который включает более 580 млн вентилей.

Интересные факты о 45 нанометрах:

  • Первый транзистор, созданный в Bell Labs в 1947 г., помещался на ладони, в то время как новый 45-нанометровый транзистор Intel в 400 раз меньше красной кровяной клетки человека.
  • 45-нанометровый транзистор Intel будет примерно в миллион раз дешевле, чем образец 1968 г. Если бы цены на автомобили упали столь же значительно, то сегодня новый автомобиль стоил бы около 1 цента.
  • Толщина человеческого волоса более чем в 2000 раз превосходит размер 45-нанометрового транзистора.