Закон философии в действии: Intel Core 2 на базе 45 нм

Философия имеет в своем арсенале три основополагающих закона:

- Переход количественных изменений в качественные
- Единство и борьба противоположностей
- Отрицания отрицаний



Какое отношение имеют эти законы или хотя бы один из них к 45-нанометровой производственной технологии и поколению Penryn? Для ответа на этот вопрос предлагаем проследить за основными этапами развития его величества транзистора. И определиться с тем, что же может помочь ему развиваться дальше.


История

В далеком 1928 году в Германии были изложены основные принципы работы полевых транзисторов. И спустя 6 лет, немецкий физик Оскар Хейл запатентовал полевой транзистор. Однако, до появления первого МОП (металл-оксид-полупроводник) транзистора должно было произойти еще одно событие. И оно произошло в 1947 году в лабораториях Bell Labs был создан биполярный транзистор. Это стало возможным благодаря упорному труду Уильяма Шокли, Джона Бардина и Уолтера Браттейна.

Первый транзистор


Будущие нобелевские номинанты продемонстрировали первый биполярный транзистор 16 декабря 1947 года. А чуть позже, 23 декабря представили свое изобретение официально. Таким образом, дата 23 декабря вошла в историю как день открытия транзистора. Хочется отметить интересный момент. Название транзистору дали не сразу. В недрах Bell Labs рассматривали такие названия как: "полупроводниковый триод" (semiconductor triode), "Solid Triode", "Surface States Triode", "кристаллический триод" (crystal triode) и "Iotatron". Хотя на внутреннем голосовании остановились все же на слове транзистор.

Однако лишь в 1960 был создан первый МОП транзистор, являющийся основой всей современной компьютерной техники. Размеры современных МОП транзисторов составляют от 130 до 45 нм.

Со временем транзисторы вытеснили вакуумные лампы и совершили революцию в создании интегральных микросхем в далеком 1958 году. За появление последних стоит благодарить Джека Килби и Роберта Нойса..



Великий закон Гордона Мура был сформирован еще в 1965 году. Он гласит, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. На осеннем Intel Developer Forum (IDF), проходившем в Сан-Франциско, Гордон Мур отметил, что еще 10-15 лет этот закон будет иметь силу. После чего увеличение числа транзисторов такими же темпами станет крайне трудной задачей.



Идем дальше. В 1968 году Робертом Нойсом и Гордоном Муром была основана компания Intel. На сегодняшний день в ее стенах трудятся более ста тысяч человек. Основные направления, которыми занимается компания: сетевые и телекоммуникационные решения, вычислительные технологии, беспроводные технологии. А также достаточно молодые направления, но перспективные, такие как встраиваемые решения или "цифровой дом", "цифровой офис", "цифровая больница".

Следующая дата, несомненно, 1971 год. Выпуск первого микропроцессора. Intel получает заказ на двенадцать специализированных микросхем. Однако последовавшее предложение инженера Тэда Хоффа определило появление универсального микропроцессора. Им стал микропроцессор Intel 4004.

Intel 4004


Вот такой длинный путь до появления первого процессора Intel Pentium, наброски которого были еще готовы в 1989 году за четыре года до появления первого коммерческого образца. В конце 1991 года уже стало возможным запустить на процессоре носившего кодовое имя P5 операционную систему. И в октябре 1992 года было объявлено, что процессор P5 будет называться не иначе как Pentium. Хотя многие предполагали, что он получит имя 586. Напоминаю, что речь идет о совсем недалеком времени. Всего лишь 1992 год и 800 нм технологический процесс, а сейчас 2007 год и уже 45 нм техпроцесс. Чувствуете? Для истории ничтожный промежуток, но для масштаба полупроводниковой индустрии скачок просто колоссальный. Итак, каждые два года меняется технология производства. На приведенном ниже рисунке это наглядно демонстрируется.



Казалось бы, ну и что тут такого? Уменьшая техпроцесс, получаем возможность нарастить количество транзисторов, и тем самым увеличиваем быстродействие микропроцессора, как бы он не назывался. Не важно, процессор Pentium III выполненный по нормам 250 нм или 180 нм. Или же Pentium 4 по уже современным нормам 65 нм. Но всему есть свой предел.


Закон философии в действии

Вот он и закон философии. Когда количественные изменения переходят в качественные. Да, я именно о них, о материале high-k на основе гафния и металлических материалов для изготовления затвора.

Давайте изнутри посмотрим, каким образом микропроцессорному гиганту удалось добиться того, что отображено на слайде.

"Миссия 45"


Изолирующий слой

Это тонкий слой под затвором, изолирующий затвор от канала. До недавнего времени был изготовлен из диоксида кремния (касательно продукции Intel). На вооружении у полупроводниковой индустрии состоит с конца 60-х годов прошлого века. За что ему низкий поклон. Но, пришло и его время уступить место более прогрессивной технологии. Дело в том, что с уменьшением толщины слоя увеличивается ток утечки, происходящей через этот слой - следовательно, необходимо заменить диоксид кремния новыми материалами, имеющими такие же свойства, но не требующими столь малой толщины слоя.



Изолирующий слой затвора, а что с ним? На службе старый добрый диоксид кремния. А что токи утечки? Ну и пусть греется. Дадим больше МГц и закроем глаза на эти паразитные утечки. Друзья, я обрисовал Вам то, как не нужно думать. Такой ход мыслей приведет только в тупик. Иначе никак. Для справки, толщина изолирующего слоя затвора в транзисторах, изготовленных по 65-нанометровой производственной технологии Intel всего 5 атомов. И как же тут не разгуляться токам утечки? В результате чего мы и получаем ухудшение работы и повышение энергопотребления. Поскольку в идеальном случае изолирующий слой затвора действует как совершенный изолятор.

На смену пришел материал high-k. Материал high-k может использоваться в качестве изолирующего слоя затвора вместо диоксида кремния. Этот материал обладает хорошими изолирующими свойствами и создает эффект сильного электрического поля (отсюда обозначение "high-k" - высокое значение k) между затвором и каналом. Оба этих свойства положительно влияют на эксплуатационные характеристики транзисторов. Компания Intel применила сочетание материала high-k на основе гафния для изготовления изолирующего слоя затвора. Соединения редкоземельного металла гафния представляет собой материал, который позволяет существенно сократить утечки тока и обладает высоким емкостным сопротивлением, необходимым для обеспечения высокой скорости срабатывания транзистора. Отсюда и повышение скорости переключения транзисторов до 20%.

Кроме того, применение high-k материалов вместо диоксида кремния позволяет увеличить толщину слоя при сохранении свойств - благодаря чему существенно снижается паразитные утечки. Вот ответ на вопрос, откуда произошло снижение тока утечки в 10 раз.


Затвор

Затвор - область в верхней части транзистора, состояние которой определяет, включен транзистор или выключен. Обычно затвор изготавливается из поликристаллического кремния (поликремния), атомы которого расположены случайным образом, а не в узлах кристаллической решетки.

На первый взгляд и тут нет никаких проблем. Уже обкатана технология производства затвора, изготовленного из поликристаллического кремния. Но, с переходом на совместное использование изолирующего слоя затвора из материала high-k и электрода затвора, изготовленного из поликристаллического кремния, возникает нежелательный эффект - фононное рассеяние. Обычная физика металлов и металловедение. Это явление ограничивает подвижность электронов, тем самым, ухудшает работу транзистора. Проблема решается путем изготовления затвора по особой технологии из материала, заменяющего поликремний. И таким материалом стал металл. Еще один пример инженерной мысли Intel.

А как объяснить экономию энергии при переключении транзистора ("включен"/"выключен") до 30%. Давайте вспомним про пороговое напряжение. Мы знаем, что это уровень напряжения, определяющий разницу между высоким и низким значениями напряжения, задающими состояние транзистора. И именно этому вопросу при проектировании транзисторов уделяется особое внимание. Стараются обеспечить как можно более низкое пороговое напряжение, чтобы повысить производительность или снизить расход энергии при переключении.

И опять же при совместном использовании изолирующего слоя затвора из материала high-k и затвора, изготовленного из поликристаллического кремния возникает еще одно нежелательное явление. Так называемое закрепление порогового напряжения или обменное подмагничивание (пиннинг).

Из-за некоторых дефектов, возникающих на границе "электрод затвора/изолирующий слой затвора", обеспечение низкого значения порогового напряжения, становится сложной задачей. Эту проблему можно устранить, применяя для изготовления электрода затвора другой материал. А какой, Вы уже догадались.

Таким образом, затвор, выполненный из металла, несомненно, вынужденный шаг. Без которого, пожалуй, все улучшения связанные с использованием изолирующего слоя затвора из материала high-k были бы сведены к нулю.


45 нанометров

Увеличив плотность размещения транзисторов почти в два раза, Intel может распорядиться так, либо уменьшить размер микросхем, либо увеличить количество транзисторов. Собственно, особой модернизации заводов не потребовалось. Используются медные соединения, 300-мм пластины и 193-нанометровая литография все то, что уже есть и работает. И все эти составляющие, такие как 45 нм, high-k и затвор, выполненный из металла, в конечном случае дают следующие преимущества. Первое - повышение производительности, второе - снижение энергопотребления, третье - физическое уменьшение размеров ядра и последнее, возросший частотный потенциал.

И тут приходит понимание того, что переход на 45 нм техпроцесс это не только возможность поместить в меньшее большее, но и гигантская работа, шаг в сторону от того, что было в полупроводниковой индустрии с конца 60-х годов прошлого века.

Итак, количество плавно перерастает в качество, что отчасти было изложено в вышесказанном и накопленные за годы исследований знания находят себе применение в области высоких технологий. Вспомните - совсем недавно преодолеть барьер тактовой частоты центрального процессора в 1 ГГц было запредельным желанием многих компьютерных энтузиастов, а теперь термин "двухъядерный процессор" не вызывает состояния священного ступора даже у обычного посетителя супермаркета электроники. Но речь сейчас пойдет немного о других вещах. О вещах тайных, секретных, информация о которых скрыта за семью замками.


Киев, 12 декабря 2007 года. Около полудня. Центр подготовки агентов по внедрению 45-нанометровой архитектуры

В обстановке строжайшей секретности состоялась явка агентов по внедрению в жизнь 45-нанометровой архитектуры центральных процессоров Intel. Казалось бы - куда ещё меньше, но "Миссия выполнима!", пообещали нам и, забегая наперёд, скажу - это действительно так. И участники заранее спланированной акции, рискуя собой, собрались в нужное время в назначенном месте.

Секретная миссия стартовала с выступления Владимира Шарова - главы представительства компании Intel в Украине. Именно ему, что впрочем, неудивительно, выпала нелёгкая задача держать речь первым.

Владимир Шаров


Помимо краткого экскурса в историю процессоростроения, Владимир поделился данными относительно столь ожидаемого семейства процессоров Penryn, которые, собственно говоря, и были анонсированы в этот день. Что же дает нам переход на новый технологический процесс и использование процессоров Penryn в целом? А преимуществ немало, это:
  • Увеличение числа транзисторов почти в два раза, при том же уровне потребления энергии
  • Повышение производительности серверов до 35% при уровне тепловыделения 80 Вт
  • Прирост до 25% тактовой частоты в серверах при уровне тепловыделения 80 Вт
  • Уменьшение энергопотребления и увеличение времени автономной работы портативных устройств
  • Ускорение работы программного обеспечения за счёт введения нового набора инструкций SSE4
  • Увеличенная и более функциональная кэш-память
  • Высокоскоростные ядра и высокие тактовые частоты

Семейное фото


Более подробные характеристики новых процессоров легко можно найти в Сети - при написании данного материала не планировалось углубленное изучение выпущенных продуктов. Основной целью статьи является аналитика и философия с легким оттенком юмора. Но слова остаются словами, пока не подтверждаются действиями. Продемонстрировать преимущество новых процессоров на деле взялся Сергей Шевченко - специалист по применению продукции Intel в странах СНГ.



В ходе небольшого эксперимента, участниками которого стали процессоры с одинаковой тактовой частотой и стоимостью Intel Core 2 Extreme QX6850 и Intel Core 2 Extreme QX9650, выполненные по 65-нм и 45 нм техпроцессу соответственно, стало ясно следующее:
  • Действительно, энергопотребление 45-нанометровых процессоров меньше, чем у более "крупных" товарищей. Причем, если при сравнении опытных образцов в режиме простоя энергопотребление QX9650 было меньше всего на 18 Вт, то при загрузке системы бенчмарком 3DMark'06 CPU Test разница в энергопотреблении между QX9650 и QX6850 достигала порядка 40 Вт при большей производительности QX9650
  • Скорость при вычислении числа Пи в программе SuperPi 4M - теста в общем-то не особо полезного для рядового пользователя, но пользующегося достаточно высокой популярностью среди компьютерных энтузиастов - выше у 45-нм процессора
  • Мы не пришли к подтверждению философского тезиса "отрицания отрицания", зато убедились, что при переходе на новый 45-нм технологический процесс энергопотребление снижается, а производительность и возможности возрастают. Что и требовалось доказать.

Ну и конечно, по окончанию чрезвычайно секретного 45-нанометрового мероприятия все агенты по внедрению в жизнь новинок в сфере высоких технологий от Intel имели возможность пообщаться и задать интересующие их вопросы в дружественной и непринужденной атмосфере. Судьба агентов, которые задавали наиболее каверзные вопросы, до сих пор неизвестна. Ходят слухи, что они живы, но находятся в подземных лабораториях корпорации Intel и принимают непосредственное участие в разработке 22-нм техпроцесса, после успешного внедрения в жизнь оного агенты получат свободу. Личности, которые вели себя лояльно и проявили должный интерес и внимание к новейшим разработкам и не уснули в процессе презентации, получили в качестве подарка вот такие шоколадные процессоры для апгрейда.

Шоколадные Penryn. Инженерные образцы. OEM поставка


Осталось дождаться официального выхода шоколадных плат на соответствующем чипсете и найти достойную систему охлаждения на основе карамели. И тогда "всё будет в шоколаде"!


Вместо эпилога

Можно смело сказать, что "Миссия 45" оказалась вполне по силам для компании Intel, хоть и непросто быть лидером, особенно когда есть достойная конкуренция. Главное, что пока между разработчиками идет борьба за более интересное место на IT-рынке, выигрываем мы - обычные пользователи. Ведь именно нам любопытны вопросы относительно и "гонки мегагерцев", и "чья многоядерность лучше", и "какой лучше взять компьютер". Поэтому хочется пожелать IT-корпорациям, от политики и работы, которых зависит очень многое, честной борьбы и достойной конкуренции. Ну и конечно, ждём начала "Миссии 32".
Разогнать, чтобы выиграть!