artykuły

Intel Core i7-3770K – pierwszy 22-nanometrowy procesor desktopowy

Testujemy Ivy Bridge!

214
23 kwietnia 2012, 18:00 Michał Grzegorz Wójcik, Mateusz Brzostek

Proces technologiczny 22 nm

Do dalszego zmniejszania tranzystorów już od dawna nie wystarcza zwykłe zwiększanie precyzji maszyn, które to robią. Kolejne kroki wymagają zastosowania nowych materiałów o korzystniejszych własnościach. W procesach technologicznych 45 nm Intel i GlobalFoundries wykorzystały nowe materiały: metalową bramkę i lepszy izolator. Przejście na 32 nm nie wymagało nowych technik, ale produkowanie tranzystorów 22-nanometrowych w ten sam sposób nie dawałoby już oczekiwanych korzyści.

Niecały rok temu dowiedzieliśmy się, że w procesie 22-nanometrowym Intel zamierza zmienić nie materiały, ale przestrzenną strukturę tranzystora. Pisaliśmy o tym w artykule „Trzeci wymiar w mikroskali”, który polecamy wszystkim zainteresowanym szczegółami technicznymi.

Płaska bramka i kanał zostały zastąpione bramką wystająca z krzemowego podłoża w postaci wąskiego grzebienia. To rozwiązanie jest wariantem techniki znanej od dawna jako Fin FET (fin w jęz. angielskim oznacza płetwę lub wystający podłużny element, a skrótowiec FET, czyli Field Effect Transistor – tranzystor polowy), ale dopiero Intel wykorzystał je na masową skalę w seryjnej produkcji tak skomplikowanych układów.

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

Dzięki umieszczeniu kanału tranzystora na wystającym grzebieniu zmniejszył się upływ prądu do podłoża i zwiększyła się powierzchnia bramki. Oddalenie od podłoża powoduje mniejszą utratę energii w czasie, gdy tranzystor jest wyłączony. Zwiększona powierzchnia bramki i zmniejszony obszar zubożony powodują, że do wytworzenia odpowiedniej jakości kanału i załączenia tranzystora wystarcza mniejsze napięcie przyłożone do bramki. Z drugiej strony zwiększona powierzchnia bramki sprawia, że jej pojemność jest większa (dwie elektrody – dren i źródło, umieszczone po obu stronach bramki – są po prostu przewodnikami w pewnej odległości od siebie, więc tworzą kondensator, który musi się naładować, zanim prąd zacznie płynąć).

Wykres pokazuje zależność czasu przełączania tranzystora od napięcia przyłożonego do bramki. Jak widać, zastosowanie trójstronnej bramki daje bardzo duże korzyści przy niskim napięciu: można przełączać tranzystory tak samo szybko jak w procesie 32-nanometrowym, przykładając napięcie niższe o 0,2 V. To daje znaczną oszczędność energii. Jednak wraz z rosnącym napięciem krzywe odpowiadające procesowi 32- i 22-nanometrowemu z trójstronną bramką zbliżają się do siebie. W krzemowym grzebieniu, będącym kanałem i obszarem zubożonym, jest ograniczona liczba nośników ładunku. Przykładanie coraz to większego napięcia nie powoduje, że tranzystor może się przełączać wciąż szybciej i szybciej. To oczywiście spekulacja, ale można się spodziewać, że skalowanie taktowania wraz z napięciem nie będzie tak dobre jak w procesie 32-nanometrowym.

Jednak z punktu widzenia całego rynku układów krzemowych jest to znaczny krok naprzód. W dobie urządzeń przenośnych większość procesorów projektuje się zgodnie z koncepcją „race to idle”, co oznacza wyścig do stanu spoczynku. Chodzi o to, że układ powinien jak najszybciej wykonać zadanie, nawet kosztem zwiększonego zużycia energii, i przejść do stanu spoczynku, pozostawiając użytkownika z jego powolnymi myślami, a funkcjonowanie urządzenia – w rękach wąsko wyspecjalizowanych, energooszczędnych układów peryferyjnych. W tej koncepcji najważniejsza jest oszczędność energii w stanie spoczynku, albo też, jak to ujął jeden z inżynierów AMD, inteligentne nic nierobienie.

Oczywiście, usprawnienia techniczne nie są nigdy celem samym w sobie. Chodzi o „upchnięcie” większej wydajności w tym samym lub mniejszym budżecie energetycznym i na takiej samej lub mniejszej powierzchni. Sposób, w jaki się to osiągnie, jest nieistotny; wystarczy, żeby końcowy produkt spełniał te wymagania. Zwiększenie wydajności i funkcjonalności wymaga najczęściej przeznaczenia większej liczby tranzystorów na rozwiązanie problemów. Trzeba zatem ulepszać techniki produkcyjne, żeby dysponując ograniczoną energią i powierzchnią krzemowego wafla, móc sobie pozwolić na te dodatkowe tranzystory.

Oprócz techniki produkcji w Ivy Bridge zmieniono znacznie logiczną budowę całego układu. Na następnych stronach przyjrzymy się dokładniej ważniejszym zmianom.

2