Особенности процессоров с архитектурой Penryn - Характеристика процессоров различных архитектур

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 четырехъядерного 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 объемом кэша L2 до 12 Мб, а в целом все 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.

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 влечет за собой необходимость решения вопросов уменьшения токов утечек транзисторов, что напрямую влияет на энергопотребление и тепловыделение чипа в целом, и все 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 слоев!

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 перестает 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 заменен 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 все 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, растет просто гигантскими шагами, еще 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 все 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).

Похожие статьи




Особенности процессоров с архитектурой Penryn - Характеристика процессоров различных архитектур

Предыдущая | Следующая