Student World

***tisková zpráva společnosti Intel
Na světlo světa se dostává jedna z největších inovací základní konstrukce tranzistorů. Společnost Intel oznámila, že k výrobě izolačních vrstev a přepínacích hradel svých 45nanometrových tranzistorů použila dva zásadně nové materiály. Stamiliony nových mikroskopických tranzistorů – tedy přepínačů – se stanou základem nové generace vícejádrových procesorů řady Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad a Xeon. Společnost rovněž zveřejnila, že už má k dispozici pět verzí funkčních prototypů těchto produktů – první třetinu z patnáctky nových procesorů, které Intel pro 45nm výrobní technologii připravuje.

Tento významný krok společnosti Intel umožní výrobu procesorů pro PC, notebooky a servery s rekordním výkonem, protože řeší problém, který komplikuje výrobu čipů i PC a snižování jejich velikosti, spotřeby, hluku a ceny – omezuje svodové proudy v tranzistorech. Další desetiletí by tak měl být platný Mooreův zákon, axiom technologického průmyslu, který počítá se zdvojnásobením počtu tranzistorů každé dva roky.

Společnost Intel předpokládá, že uvedení funkčních procesorů se 45nm technologií – prvních produktů nové 45nm řady kódově označované „Penryn“ – dále zvětšuje její více než roční náskok před zbytkem polovodičového průmyslu. Na prototypech nových procesorů pro pět různých počítačových segmentů běží operační systémy Windows Vista, Mac OS X, Windows XP a Linux a celá řada speciálních aplikací. Vše probíhá podle plánu, který počítá s náběhem 45nm výroby ve druhé polovině tohoto roku.

Společnost Intel jako první implementovala inovativní kombinaci nových materiálů, které významně omezují svodové proudy v tranzistoru a zvyšují výkon celé 45nm výrobní technologie. Intel bude při izolaci tranzistorových hradel používat nový materiál s vysokou dielektrickou konstantou (high-k) a novou kombinaci kovových materiálů v tranzistorových elektrodách.

„Implementace vysoce izolačních a speciálních kovových materiálů představuje největší změnu ve výrobě tranzistorů od zavedení MOS tranzistorů s polykrystalickým křemíkovým hradlem koncem šedesátých let minulého století,“ uvádí Gordon Moore, jeden ze zakladatelů společnosti Intel.
Tranzistory jsou miniaturní přepínače, které zpracovávají jedničky a nuly digitálního světa. Hradlo tranzistor spíná a vypíná a okolní dielektrický materiál je izolace, který jej odděluje od kanálu, kde protéká proud. Nová kombinace kovových bran a materiálu s vysokou dielektrickou konstantou dala vzniknout tranzistorům s velmi malými úniky neboli svody elektřiny a rekordně vysokým výkonem.

„Vzhledem k neustále rostoucímu množství tranzistorů v jednom čipu hledá celé odvětví cesty ke snížení svodových proudů,“ uvádí Mark Bohr, senior fellow společnosti Intel. „Mezitím se našim vědcům a konstruktérům podařilo dosáhnout v této oblasti významného pokroku, který zajistí produktům a inovacím společnosti Intel čelní pozici. Naše inovované tranzistory s high-k materiálem a kovovými hradly pro 45nm výrobní technologii Intel umožní výrobu ještě rychlejších, energeticky efektivnějších vícejádrových produktů, které budou dále rozvíjet úspěchy procesorů Intel Core 2 a Xeon a prodlouží platnost Mooreova zákona dobře o dalších deset let.”

Nyní malé srovnání. Na jednu buňku lidské červené krvinky by se vešlo zhruba 400 kusů 45nm tranzistorů Intel. Přesně před 10 lety byla špičkou 250nm technologie, což znamená, že tehdejší tranzistory byly zhruba 5,5x delší a měly 30x větší plochu než tranzistory vyráběné současnou nejmodernější technologií Intel.

Vzhledem k tomu, že se v souladu s Mooreovým zákonem počet tranzistorů na čipu každé dva roky zhruba zdvojnásobí, může společnost Intel průběžně inovovat, přidávat nové funkce, zvyšovat počet jader a výpočetní výkon, při současném snižování výrobních nákladů a ceny jednoho tranzistoru. Aby bylo možné udržet stávající tempo inovací, je potřeba neustále zmenšovat rozměry tranzistorů. Avšak při použití dosavadních materiálů se zmenšování tranzistorů pomalu dostává na samé hranice možností dané vysokým příkonem a ztrátovým teplem vznikajícím v těchto atomárních rozměrech. Z těchto důvodů je pro budoucnost Mooreova zákona a ekonomiky informačního věku potřeba hledat a zavádět nové materiály.

Oxid křemičitý (SiO2) se používá k izolaci křemíkového hradla více než 40 let. Důvodem je jeho snadná výroba a možnost průběžného zvyšování výkonu tranzistoru ztenčováním této vrstvy. Společnosti Intel se podařilo tuto dielektrickou vrstvu úspěšně ztenčit až na tloušťku 1,2 nm, což odpovídá pěti atomárním vrstvám, a použila ji takto v předchozí 65nm výrobní technologii. Ovšem další ztenčování vedlo ke zvýšeným únikům elektronů přes tuto izolační vrstvu a příslušnému zvyšování odběru elektrického proudu a neúnosně se zvyšujícímu zahřívání.

Svody vznikající v tranzistorovém hradle kvůli stále tenčí vrstvě oxidu křemičitého se v celém odvětví považují za jednu z nejnáročnějších technických překážek dalšího rozvoje dle Mooreova zákona. V rámci řešení tohoto problému společnost Intel vyměnila oxid křemičitý za ještě tenčí vrstvu slitiny hafnia s vysokou dielektrickou konstantou (high-k), která snížila svodové proudy ve srovnání se čtyři desetiletí používaným SiO2 více než desetinásobně.
Protože nový high-k materiál není kompatibilní s dosud používanými elektrodami hradla, tvoří druhou část cesty k 45nm tranzistoru Intel vývoj nových materiálů pro kovová hradla. Vzhledem k tomu, že se na některé používané slitiny vztahuje výrobní tajemství, řekněme jen tolik, že společnost Intel bude na elektrodách tranzistorových hradel používat kombinaci různých kovových materiálů.

Kombinace nového dielektrického materiálu a kovových hradel 45nm tranzistorů Intel přináší o více než 20 procent rychlejší průtok proudu neboli vyšší výkon tranzistoru. Na druhou stranu omezuje svodové proudy v tranzistoru více než pětinásobně, takže zvyšuje efektivitu využití elektrické energie.

Nová 45nm výrobní technologie Intel ve srovnání s předchozí generací rovněž zhruba zdvojnásobuje hustotu tranzistorů, což společnosti umožňuje buď zvýšení celkového počtu tranzistorů v čipu nebo snížení rozměrů procesorů. Protože jsou 45nm tranzistory menší než předchozí generace, je k jejich přepínání potřeba méně energie, což snižuje aktivní příkon zhruba o 30 procent. Společnost použije v zájmu vyššího výkonu a nižší spotřeby k propojování 45nm prvků měděné spoje izolované materiálem s nízkou dielektrickou konstantou (low-k). Uplatněny budou rovněž nové postupy konstrukce a pokročilého maskování, které dovolí použít 193nm suchou litografii k výrobě 45nm tranzistorů, což sníží náklady a usnadní náběh výroby.

Procesory řady Penryn jsou odvozeny z mikroarchitektury Intel Core a představují další krok rychlého vývoje společnosti Intel, která přináší nové výrobní technologie a nové mikroarchitektury každé dva roky. Díky unikátní kombinaci špičkové 45nm výrobní technologie, velkokapacitních továren a špičkové mikroarchitektury se společnosti Intel podařilo vyvinout a vyrobit první funkční 45nm Penryn procesory.

Ve vývoji je v současnosti více než 15 produktů založených na 45nm technologii, které jsou připravovány pro stolní, přenosné a podnikové počítače a pracovní stanice. Nové 45nm procesory Penryn, obsahující v dvoujádrové verzi více než 400 milionů tranzistorů a ve čtyřjádrové přes 800 milionů, jsou vybaveny mikroarchitekturou s novými funkcemi, které zajišťují vyšší výkon a lepší možnosti řízení spotřeby, vyšší pracovní rychlost jader a až 12 megabytů vyrovnávací paměti. Nová konstrukce procesorů řady Penryn přináší rovněž zhruba 50 nových instrukcí Intel SSE4 a rozšiřuje možnosti a výkon zpracování médií a náročných výpočetních aplikací.

autor