Intel predstavuje 3D tranzistory pre 22nm procesory

Pravidelné zmenšovanie výrobného procesu prináša nižšiu spotrebu a vyšší výkon. U 22nm ale Intel po prvý krát použije „3D“ tranzistory, vďaka ktorým nepôjde len o krok vpred, ale skôr o veľký skok.

Na tej najnižšej úrovni, ako iste všetci vieme, pracujú procesory s logickými nulami a jednotkami. Tieto sú reprezentované činnosťou tranzistorov v dvoch stavoch – plne otvorenom a plne uzavretom. Pre svoje výhodné vlastnosti sa používajú tranzistory riadené elektrickým poľom (napätím). Z čoho sa takýto tranzistor skladá?

Na obrázku vyššie je predstaviteľ typu tranzistora používaného v 32nm Sandy Bridge procesoroch. Hradlo (Gate), ktorým sa riadi tok elektrónov, „sedí“ nad vodivým kanálom, ktorý je tvorený emitorom a kolektorom. Medzi nimi je ešte tenká izolačná vrstva z kovu hafnium, ktoré má vysokú dielektrickú konštantu (odtiaľ názov high-k). Mimochodom, Intel začal používať high-k kov namiesto oxidu kremičitého už v Core 2 Duo procesoroch, aby potlačil neželaný efekt stratových prúdov.

Späť však k princípu činnosti. Tok prúdu sa v kanáli riadi napätím na hradle Gate – aplikujte napätie a vodivý kanál sa rozšíri, prúd môže tiecť. Zrušte napätie hradla a tranzistor sa uzavrie, prúd netečie (platí pre indukovaný kanál, existujú aj tranzistory so zabudovaným kanálom ktoré vyžadujú záporné napätie hradla - ochudobňovacie). V skratke sa dá povedať, že tranzistory fungujú ako vypínače. Ak je v stave zapnutom, tečie najväčší prúd a tranzistor predstavuje minimálny odpor. V stave vypnutom by nemal tiecť žiaden prúd, no vždy sa nájde nejaká tá strata – stratový (leakage) prúd. Dôležitým parametrom je aj rýchlosť, s akou vieme tranzistor zapínať a vypínať, čo určuje výkon a frekvenciu procesora.

Čím sa viac a viac zmenšuje výrobný proces, tým sa menšími stávajú aj všetky stavebné prvky tranzistora. Pri veľkostiach niekoľko málo nanometrov už je veľkým problémom dosiahnuť požadované vlastnosti, ako napríklad minimálny stratový prúd. Vrstvy o šírke niekoľko atómov už jednoducho „nestíhajú“. Jedným zo spôsobov, ako riešiť stratové prúdy je technológia SOI (Silicon On Insulator). Intel ju nepoužíva, no nájdeme ju u procesorov od AMD:

Napätie v spodnej vrstve nazvanej Silicon Substrate má určitý vplyv na stratové prúdy. Pridaním vrstvy oxidu sa efekt dá znížiť, alebo úplne aj potlačiť, ak je vrchná vrstva kremíka dostatočne tenká. Má to samozrejme jeden háčik – je to drahé (približne +10% nákladov pri výrobe). Intel na to ide iným spôsobom. Predstavujeme vám tzv. „3D“ tranzistory:

Tradičný planárny tranzistor verzus „3D“ Tri-Gate tranzistor

Rozdiel je zrejmý už na prvý pohľad. Namiesto plochého, „2D“ usporiadania vodivej inverznej vrstvy (modrá farba), je použitý akýsi „výstupok“ do hradla. Vplyv napätia zo spodnej vrstvy je minimalizovaný, a tok prúdu sa dá riadiť podstatne lepšie – a to vďaka väčšej ploche styku hradla s kanálom. Namiesto jednej styčnej plochy sú tu tri. Ďalší bonus – väčšia inverzná vrstva rovná sa viac prúdu. A čo je na tom (pre Intel) najlepšie? Že ho to bude stáť iba asi + 2% až 3% nákladov navyše.

Prejdime k nejakým zaujímavým číslam.

Na grafe vyššie je vynesený pomer pracovného napätia a rýchlosti tranzistora. Dnes aktuálne 32nm procesory sú reprezentované čiernou čiarou. Ak by sme znížili napätie, nedokáže tranzistor pracovať na tak vysokých frekvenciách (podobne pri pretaktovaní, keď napätie zvýšime, dosiahneme vyššie takty procesora, alebo naopak, ak napätie znižujeme, nedokáže byť procesor stabilný na vysokých taktoch).
V prípade, že by Intel pokračoval u 22nm v štandardnej planárnej 2D technológii, dosiahol by zlepšenie, no len veľmi malé – reprezentované sivou čiarou. Trochu menšie napätia, trocha vyššie takty. Oveľa radikálnejšie zlepšenie sa však dosiahne novým postupom tvorby 3D tranzistorov, ktoré nazýva Intel aj ako Tri-Gate (tri strany hradla). Pre nízke napätia je možné zvýšenie výkonu až o 37% oproti 32nm procesu! Ak si zoberieme na mušku spotrebu, Intel hovorí až o 50% nižšej hodnote v aktívnom stave. Pri rovnakej frekvencií spínania tranzistorov sa dá znížiť napájacie napätie na 70% až 80% hodnoty u 32nm čipov. Samozrejme, vo finále sa celkom určite zvolí nejaká racionálna kombinácia zvýšenia výkonu a zníženia spotreby. Čisto teoreticky by mohol Intel vyrobiť SandyBridge na 22nm s extrémne nízkou spotrebou, alebo naopak, na rovnakej spotrebe dramaticky navýšiť frekvencie.

Tieto radikálne zlepšenia sa budú najviac dotýkať zrejme mobilných čipov s nižším napájacím napätím, v o trocha menšej miere bežných desktopových Ivy Bridge. Pre ne je tu reálne zlepšenie výkonu o 18% na rovnakom napájacom napätí.

Nová technológia sa negatívne nepodpíše ani pod hustotu integrácie. Práve naopak, Intel hovorí asi o dvojnásobnom počte 22nm Tri-Gate tranzistorov na rovnakej ploche ako pri 32nm procese. Navyše sa pre zvýšenie výkonu dá zakomponovať ešte viac vodivých 3D kanálov (viď obrázok z elektrónového mikroskopu vyššie).

22nm Ivy Bridge procesory sú na pláne niekedy v prvej polovici budúceho roka. Intel má ale už dnes funkčné vzorky a myslí to s Tri-Gate skutočne vážne. Dôkazom nech je fakt, že pre tento proces má vyhradených až päť svojich tovární:

Dopad na reálne produkty bude pravdepodobne väčší, než sme z prechodov na menšie výrobné procesy zvyknutí. Výrazne vyšší výkon by mali zaznamenať procesory typu Atom, prípadne iné SoC (System on Chip), ktoré pracujú na nízkych napätiach. Taktiež od Ivy Bridge procesorov sa dajú očakávať podstatne vyššie výkony  a nižšia spotreba oproti 32nm SandyBridge. Pridajte k tomu sľúbenú kompatibilitu so socket LGA1155 základnými doskami (čipsety P67, H67, ...) a je to ešte zaujímavejšie.