artykuły

Intel wdraża produkcję tranzystorów z trójstronną bramką

Trzeci wymiar w mikroskali

43
8 maja 2011, 16:16 Mateusz Brzostek

Przyzwyczailiśmy się do tego, że postęp techniczny w branży komputerowej cechuje pewna regularność. Jednym z najbardziej przewidywalnych pod tym względem producentów jest Intel. To zrozumiałe: im większa firma, tym więcej ma inwestorów, a ci lubią przewidywalność. Jednak w odróżnieniu od większości dostawców układów scalonych Intel zawsze bardzo wcześnie ujawnia, nad czym pracuje. Na corocznych imprezach Intel Developer Forum często można zobaczyć demonstracje produktów i technik, które pojawiają się na rynku nawet kilka lat później. Gdy ktoś weźmie udział w IDF-ie i kilku branżowych konferencjach (IEDM, ISSC, HotChips), prawie na pewno żadna nowinka nie zaskoczy go przez parę dobrych lat.

Spis treści

Tym razem jednak Intel rozegrał swoje karty inaczej: utrzymano w dość ścisłej tajemnicy jeden z ważniejszych przełomów technicznych. Dotyczy on produkcji tranzystora, podstawowego elementu układów logicznych.

Tranzystory też są trójwymiarowe

Zanim opowiemy o szczegółach technicznych, warto zapoznać się z zasadą działania tranzystora: „Elementarz – tranzystor. Część 1” oraz „Elementarz – tranzystor i co dalej?”.

Tranzystor polowy (FET, z ang. Field-Effect Transistor) składa się z czterech podstawowych elementów: źródła i drenu, dwóch elektrod, między którymi ma przepływać prąd, trzeciej, bramki, która steruje przepływem prądu, oraz kanału – obszaru półprzewodnika łączącego źródło i dren, przez który także przepływa prąd. Idealny tranzystor działałby tak: bez przyłożenia napięcia do bramki prąd między źródłem a drenem nie płynie wcale i tworzy się przerwa w obwodzie; po przyłożeniu napięcia do bramki w przerwie między źródłem a drenem formuje się obszar przewodzący (kanał), prąd zaczyna przepływać i mamy zwarcie. Do tego przełączanie między stanem włączonym a wyłączonym zachodziłoby natychmiast.

źródło: Wikipedia

W praktyce zachodzą dziesiątki zjawisk fizycznych, które powodują, że żaden tranzystor nie jest idealny. W stanie wyłączonym, gdy kanał nie jest uformowany, źródło i dren tworzą kondensator – dwa umieszczone równolegle przewodniki rozdzielone obszarem izolatora. W stanie włączonym kanał tranzystora nie jest doskonałym przewodnikiem: zachowuje się jak rezystor. Do tego krzemowe podłoże, na którym są formowane tranzystory układów scalonych, również przewodzi prąd, nawet gdy tranzystor jest wyłączony (jeszcze raz polecamy artykuł Ryszarda Sobkowskiego o tranzystorze). Są to bardzo niepożądane efekty, bo pojemność bramki sprawia, że trochę energii i czasu trzeba zużyć na naładowanie powstałego kondensatora, a oporność kanału powoduje wydzielanie ciepła i dalsze straty energii.

Dlatego budując tranzystor, inżynierowie starają się osiągnąć trzy cele:

  • ma przewodzić jak najwięcej prądu w stanie włączonym,
  • ma przewodzić jak najmniej prądu w stanie wyłączonym,
  • ma się przełączać między stanami możliwie szybko.

Każda kolejna technika produkcji musi nie tylko poprawić parametry tranzystorów w każdym z tych trzech obszarów, ale i zmniejszyć same tranzystory, żeby na takiej samej powierzchni dało się ich upakować więcej. Okazuje się, że wcale nie jest to łatwe.

Pamiętacie ten slajd sprzed półtora roku?

źródło: Wikipedia

Pokazano wtedy, jakie kierunki badań mogą umożliwić dalsze zmniejszanie tranzystorów. Na slajdzie wymieniono trzy techniki dotyczące procesu 22-nanometrowego, z których najbardziej obiecująca okazała się trójwymiarowa bramka. O co tu chodzi?

źródło: Wikipedia

W tradycyjnym sposobie produkcji tranzystora MOSFET (ang. Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) kanał jest prostokątny – rozciąga się od źródła do drenu na powierzchni krzemowego podłoża. Wokół elektrod i kanału pod wpływem pola elektrycznego tworzy się obszar zubożony, z którego odpłynęły nośniki ładunku. Szerokość kanału ma bezpośredni wpływ na prąd przepływający przez bramkę, gdy tranzystor jest włączony: im większa, tym większy prąd. Jak zatem powiększyć szerokość kanału bez powiększania całego tranzystora? Trzeba przejść w trzeci wymiar:

Po lewej: tradycyjny tranzystor planarny; po prawej: tranzystor z trójstronną bramką. Zielone kropki wskazują przepływ prądu. Nakieruj na ilustrację kursor, aby zobaczyć opis!

Zamiast płaskiego podłoża, z którego wykrojono dwie elektrody (źródło i dren), zastosowano cienkie krzemowe „żebro”. Bramka otacza je z trzech stron, a kanał formuje się nie na płaskiej powierzchni, a na trzech powierzchniach: bocznych i górnej krzemowego żebra. W ten sposób przekrój kanału i płynący przez niego prąd są większe, choć cały tranzystor zajmuje mniej miejsca. Intel tę architekturę nazwał Tri-Gate, od trójstronnej bramki. Polecamy film przygotowany przez Intela, przystępnie wyjaśniający podstawy tej techniki.

Jeden tranzystor może mieć więcej niż jedno żebro: wraz ze wzrostem ich liczby zwiększa się prąd płynący w stanie włączonym, a kontrola nad tranzystorem jest taka sama:

Strona:
*Konto usunięte*2011.05.08, 16:24
11#1
Przyznam się, że 10nm od AMD w 2002 roku trochę mnie zaskoczyło...

Icek6 @ 2011.05.08 16:29  Post: 477058
A AMD ciągle stoi w miejscu, czy tylko mi się tak wydaje?


Nie było info coby przesuwali fabryki w inne miejsce. Z tym chyba byłoby trochę problemów technologicznych, przynajmniej ja nie słyszałem żeby można było w prosty sposób przemieszczać budynki o takiej kubaturze.

Może w wyniku trzęsienia ziemi, ale to były inne rejony.
Icek6Zobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Icek62011.05.08, 16:29
-12#2
A AMD ciągle stoi w miejscu, czy tylko mi się tak wydaje?

ccwrclimited @ 2011.05.08 16:24  Post: 477057
Nie było info coby przesuwali fabryki w inne miejsce. Z tym chyba byłoby trochę problemów technologicznych, przynajmniej ja nie słyszałem żeby można było w prosty sposób przemieszczać budynki o takiej kubaturze.

Może w wyniku trzęsienia ziemi, ale to były inne rejony.

Chodzi mi oto że AMD cały czas się męczy z Fusion i na rynku CPU nie zaprezentowało nic nowego od czasu Phenomów. A nie o fizyczne przemieszczanie się fabryk AMD ;)
SobotaZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Sobota2011.05.08, 16:54
Niby krok do przodu ale nie można zapominać o grafenie. O którym jest głośno co jakiś czas. W końcu przyrost min ~300% częstotliwości przy bardzo niskim napięciu i niskim TDP byłby osiągnięciem.
TelvasZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Telvas2011.05.08, 17:05
Icek6 @ 2011.05.08 16:29  Post: 477058
A AMD ciągle stoi w miejscu, czy tylko mi się tak wydaje?

ccwrclimited @ 2011.05.08 16:24  Post: 477057
Nie było info coby przesuwali fabryki w inne miejsce. Z tym chyba byłoby trochę problemów technologicznych, przynajmniej ja nie słyszałem żeby można było w prosty sposób przemieszczać budynki o takiej kubaturze.

Może w wyniku trzęsienia ziemi, ale to były inne rejony.

Chodzi mi oto że AMD cały czas się męczy z Fusion i na rynku CPU nie zaprezentowało nic nowego od czasu Phenomów. A nie o fizyczne przemieszczanie się fabryk AMD ;)

Kupuj dalej Intele po tak zawyżanych cenach, to na pewno AMD będzie miało kasę na badania. Poza tym przecież nie mają własnych fabów.
SunTzuZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
SunTzu2011.05.08, 17:17
-4#5
Ale jaja, technologia wygrywa znowu z architekturą...

Jeżeli Intel zrobi lepsze procesory niż ARM, które praktycznie w IDLE nie ciągną energii to niech mnie drzwi ścisną.... To jednak tylko przedsionek, bo nie ma softu->
-> Android na x86 będzie działał, ale nie wszystko. Intel nad tym ponoć pracuje...
- Może zrobi szok rynkowi i podibije rynek z własną platformą (własny sprzęt+własny OS) miażdżąc MS/Apple/Google


----------------------------------

Obalę jednak tą teorię bardzo szybko.... Intel nie zaprezentuje nam szybko wykonanych w tej technologii zabawek. Atomy/komórki to segment LOW, a to oznacza, że cena produktu musi być bardzo niska i niska jest stopa zwrotu.... Musi konkurować z ARMem. Nie może cena bebechów Intela stanowić 20% ceny urządzenia, bo największy koszt to developing....

Więc Intel wyda najpierw swoje falagowe produkty. Oczywiście Rynek serwerowy, gdzie stopa zwrotu jest największa, podobnie sektor mobilny (laptopy). Tam pobór energii ma szczególne znaczenie, a klienci są gotowi zapłacić większe sumy.

Tą teorię potwierdza Oak Trail, który ma być produktem 2011/2012 -> nie w 22nm

-> wątpię też by Intel marnował moce przerobowe swoich FABów dla 'konkurencji'.... Chyba, że zapłacą Intelowi 'większe sumy', ale tu tylko chyba IBM/Oracle mają w swojej ofercie zabawki, które są jeszcze droższe niż x86.
cichy45Zobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
cichy452011.05.08, 17:18
-7#6
@Televas

Wiesz, ja myślałem, ze mojego C2D też zmienię na Phenoma II X4/X6.
Ale kiedy zobaczyłem ze SB i5 2500K o 2 rdzeniach mniej i TDP o 30W niższym bije X6 AMD to zwątpiłem... Co z tego ze kupie go o 200zł taniej, jak będę musiał się borykać z temperaturami i większym poborem prądu. W wszystkich tabelach 'ogółno-wydajnościowych' króluje Intel, trzeba się pogodzić z prawdą. Czasami nawet i3 SandyBridge bije Phenoma II X6. Jedną z niewielu konkurencji gdzie AMD jest w stanie zagrozić/przegonić Intela to szyfrowanie :E

Na tej stronie w Prime Phenomki spotyka się tylko od wielkiego dzwonu :E
http://www.maxxpi.net/pages/result-browser...--/quadcore.php
Raxor23Zobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Raxor232011.05.08, 17:21
-9#7
ccwrclimited @ 2011.05.08 16:24  Post: 477057

Nie było info coby przesuwali fabryki w inne miejsce. Z tym chyba byłoby trochę problemów technologicznych, przynajmniej ja nie słyszałem żeby można było w prosty sposób przemieszczać budynki o takiej kubaturze.

Może w wyniku trzęsienia ziemi, ale to były inne rejony.

Ty naprawdę nie zrozumiałeś tamtego związku frazeologicznego czy po prostu próbujesz być zabawny w trywialny sposób?
Matrik90Zobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Matrik902011.05.08, 17:51
Ja cie kręcę, mimo iż materiały pochodzą w części od intela to lubię czytać takie artykuły. Pisane prostym językiem i mówiącym o tym co jest i jak tam kiedyś będzie :)
slukaZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
sluka2011.05.08, 17:58
Brakuje info o samej pojemności bramki, porównania do bramki zwykłego tranzystora. Wtedy można by szacować o ile bardziej oszczędny jest Trigate od zwykłego tranzystora. Jedyne czego można się dowiedzieć z tekstu, to tylko tego że jest szybszy.

O smartfonach intel nie ma co marzyć, bo aby przebić się na tym rynku, to obecnie musiał by zaproponować rozwiązanie kompletne i to jeszcze tanio, a nawet taniej. Sam procesor to już za mało. Koszty, które producenci musieli by ponieść aby wypuścić takie fony ich do tego nie zachęcają, a czas kiedy całość może być gotowa może być taki sam, po jakim pojawią się kolejne generacje ARM z lepszymi tranzystorami na pokładzie. Tu się zgadzam z tym co napisał SunTzu, intel ma szanse przekuć swoje badania na $ w segmencie gdzie może mieć duże marże.
pszemcoZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
pszemco2011.05.08, 19:57
-6#10
Czyli możemy spodziewać się procesorów z zegarami 5 GHz.
Zaloguj się, by móc komentować
1