Intel Penryn: первые 45 нм процессоры

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

Представляя новые технологические процессы, компания Intel выдерживает промежуток примерно около года между первой демонстрацией чипов с новыми нормами производства (как правило, чипы SRAM), до показа первых образцов процессоров. Так было в прошлый раз (65 нм), так случилось и сейчас: сейчас. 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. Кстати упомянуть, 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. Новый 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. Интересно также отметить, что следующий техпроцесс Intel - P1268, с 32 нм нормами, вполне возможно, также будет ориентироваться на использование 193 нм литографических инструментов. В настоящее время новый 45 нм техпроцесс Intel с использованием 300 нм пластин внедряется в Хиллсборо, Орегон, на фабрике D1D. В ближайших планах компании – запуск 45 нм техпроцесса на новой 300 мм 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).

Практическая реализация: Penryn на наших материнских платах

Несмотря на подробности анонса, многие детали архитектуры и практической реализации процессоров Penryn пока лишены подробностей. Например, нам ещё только предстоит рассказать вам о новом наборе инструкций SSE4, информация о котором впервые была озвучена в рамках Fall IDF 2006. Пока до конца не понятно, какие именно FSB будут у новых процессоров, какие тактовые частоты, какие системные платы будут их поддерживать. Есть информация, что семейство чипов Penryn для настольных ПК первоначально будет представлено в привычном нам виде Socket 775, и, вполне возможно, для использования уже имеющихся плат будет достаточно перепрошивки BIOS, однако эту информацию также нужно уточнять. Наконец, ближе к середине 2007 года Intel вроде бы планирует представить новые платформы с поддержкой нового поколения памяти DDR3, и, разумеется, процессорам Penryn в этих платформах отводится роль "первой скрипки". Я более чем уверен, что в самое ближайшее время подробности о новом дизайне процессоров Penryn одна за другой будут появляться после проведения очередных брифингов Intel, и не исключено, что основной их "пласт" будет оглашён во время ближайших Форумов Intel для разработчиков – IDF в Тайбэе и Пекине. На сегодня это вся информация о новых процессорах, нам остаётся лишь привести фото чипов Penryn, сделанное в стенах строящейся фабрики Fab28 в Кирьят Гат, Израиль (по этой ссылке, где размещён вариант статьи на иврите, прочесть, не зная языка, можно немного, но зато в конце страницы есть прикольный ролик о процессе строительства фабрики). Мы же на сегодня закрываем тему чипов Penryn и обещаем вернуться к ней при появлении новых подробностей.