Get Adobe Flash player

Tendencie vývoja

 

Ako jeden z najväčších pokrokov pri výrobe základných súčiastok už využíva spoločnosť Intel. Ide o využitie dvoch absolútne nových materiálov na výrobu rozdeľovacích stien a prepínacích brán na ich 45nanometrových tranzistorov. Stovky miliónov týchto mikroskopických tranzistorov – alebo prepínačov - bude implementovaných do budúcej generácie rodiny viac-jadrových procesorov spoločnosti Intel.

 

Tranzistory dostali novú tvár - s použitím High-k dielektrika a hradla z kovového materiálu v rámci 45 nm technológie

 .



45 nm výrobná technológia

 

Spoločnosť Intel ako prvá vo svojej 45 nm výrobnej technológii implementuje inovatívnu kombináciu nových materiálov, ktoré výrazne znižujú únik (zvodový prúd) a zvyšujú výkon. Spoločnosť v prípade dielektrika hradla tranzistora používa nový materiál s charakteristikým názvom  "High-k" (vysoká hodnota dielektrickej konštanty) a v prípade elektródy hradla tranzistora novú kombináciu kovových materiálov."Implementácia materiálu High-k a kovových materiálov predstavuje najväčšiu zmenu v tranzistorovej technológii od uvedenia tranzistorov MOS s hradlom z polykryštalického kremíka (s polysilikónovým hradlom).

 

Tranzistory sú malé prepínače, ktoré spracúvajú jednotky a nuly digitálneho sveta. Hradlo zapína a vypína tranzistor, dielektrikum hradla sa nachádza v jeho spodnej časti a plní funkciu izolantu, ktorý hradlo oddeľuje od kanálu, ktorým preteká prúd. Použitie kombinácie kovových hradiel a "High-k" dielektrika hradla vedie k tranzistorom s mimoriadne malým únikom prúdu (zvodovým prúdom) a rekordne vysokým výkonom.

 

Vzhľadom na to, že sa na jediný kúsok silikónu umiestňuje čoraz väčší počet tranzistorov, odvetvie pokračuje vo výskume riešení pre znižovanie úniku prúdu. Medzičasom sa podarilo dosiahnuť pozoruhodný úspech, ktorý produktom a inováciám spoločnosti Intel garantuje vedúce postavenie. Implementácia nových tranzistorov s použitím High-k dielektrika a kovového hradla v  45 nm výrobnej technológii napomôže spoločnosti Intel pri poskytovaní ešte rýchlejších a energeticky účinných viacjadrových produktov.

 

-Pre porovnanie = na povrch jedinej ľudskej červenej krvinky by sa zmestilo približne 400 45 nm tranzistorov od spoločnosti Intel. Iba jedno desaťročie dozadu bola najmodernejšia výrobná technológia 250-nanometrová, rozmery tranzistorov boli teda 5,5-krát väčšie a ich plocha 30-krát väčšia v porovnaní s technológiou, ktorú v súčasnosti ohlasuje spoločnosť Intel.

-Hoci sa počet tranzistorov použitých v čipe každé dva roky približne zdvojnásobuje, spoločnosť Intel dokáže zabezpečiť inovácie a integráciu, pričom dokáže pridávať viac funkcií a výpočtových procesorových jadier, zvyšovať výkon a znižovať výrobné náklady a náklady na jeden tranzistor.

-Aby bolo možné toto tempo inovácií udržať, musia sa rozmery tranzistorov stále zmenšovať. Pri použití súčasných materiálov možnosti zmenšovania tranzistorov narážajú na zásadné limity, pretože pri dosahovaní úrovne atómov sa vynárajú problémy s energiou a teplom.



Dielektrikum High-k a kovové hradlo

 

Oxid kremičitý sa ako dielektrikum tranzistorového hradla využíval viac ako 40 rokov z dôvodu jeho jednoduchej výroby a schopnosti zabezpečiť nepretržité zdokonaľovanie výkonovej charakteristiky tranzistora aj v priebehu postupného zmenšovania jeho hrúbky. Spoločnosti Intel sa v rámci predchádzajúcej 65 nm výrobnej technológie podarilo dielektrikum hradla vyrobené z oxidu kremičitého zmenšiť na hrúbku 1,2 nm - teda na 5-atómovú vrstvu. Ďalšie zmenšovanie však spôsobovalo vyšší únik prúdu cez dielektrikum hradla, čo viedlo k stratám elektrického prúdu a generovaniu jalovej tepelnej energie.Únik prúdu cez tranzistorové hradlo spojený s postupným stenčovaním dielektrika hradla z oxidu kremičitého sú považované za jednu z najväčších technických výziev z hľadiska Moorovho zákona. S cieľom vyriešiť tento rozhodujúci problém spoločnosť Intel nahradila oxid kremičitý v dielektriku hradla hrubším High-k materiálom na báze hafnia. V porovnaní s oxidom kremičitým používaným viac ako štyri desaťročia sa tak únik podarilo viac ako 10-násobne znížiť.

 

Keďže High-k dielektrikum hradla nie je kompatibilné so súčasnou silikónovou elektródou hradla, druhou časťou "receptu" pre materiál 45 nm tranzistora od spoločnosti Intel je vývoj nových kovových materiálov hradla. Niektoré kovy používané spoločnosťou Intel síce zostávajú utajené, spoločnosť však bude pre elektródy hradla tranzistora používať kombináciu rozličných kovových materiálov.

-Kombinácia High-k dielektrika hradla a kovového hradla v 45 nm výrobnej technológii spoločnosti Intel zabezpečuje viac ako 20-percentné zvýšenie prúdu a vyšší výkon tranzistora. A zase naopak - viac ako päťkrát znižuje únik prúdu medzi zdrojovou elektródou (emitorom/source) a zbernou elektródou (kolektorom/drain), vďaka čomu sa zvyšuje energetická účinnosť tranzistora.

-45 nm výrobná technológia spoločnosti Intel taktiež približne dvojnásobne zvyšuje hustotu tranzistorov v porovnaní s predchádzajúcou generáciou, čo spoločnosti umožňuje buď zvyšovať celkový počet tranzistorov, alebo zmenšovať rozmery procesorov.

-Keďže 45 nm tranzistory sú menšie ako tranzistory predchádzajúcej generácie, na vypínanie a zapínanie spotrebujú menej energie, čím sa aktívny spínací výkon znižuje približne o 30 percent.

-Za účelom dosiahnutia vyššieho výkonu a nižšej spotreby energie bude spoločnosť pri 45 nm výrobnej technológii používať medené spoje s Low-k dielektrikom.

-Taktiež bude používať inovatívne pravidlá dizajnu a pokročilé techniky pre masky, aby rozšírila využitie 193 nm suchej litografie na výrobu 45 nm procesorov z dôvodu úspory nákladov a jednoduchej výroby, ktoré litografia poskytuje.



45 nm technológia u AMD

 

-Na 45 nm výrobnej technológie zapracovala aj spoločnosť AMD ktorá túto technológiu preniesla tiež do svojich radov, táto technológia je známa v AMD po názvom Shanga. Medzi jej najnovšie procesory vyrobené technológiou Shanga  sú procesory Opteron.

-Vďaka tomu AMD sľubuje až 35% zníženie spotreby pričom výkon vraj narástol o rovnakých 35%. Okrem toho majú byť frekvencie novo uvedených čipov o niečo vyššie ako tie predošlé.

-Zmeny sa dotknú aj veľkosti L3 cache, ktorá narastie na 6MB, pridaná má byť podpora bežných DDR2  pamätí.

-Prvé modely Opteronov budú mať TDP 75W a frekvencie od 2,3GHz do 2,7GHz, modely Opteron HE (55W) a Opteron SE (105W) budú nasledovať v druhej polovici tohto roka.

 



  Chladenie procesorov pomocou mikromrazničiek

 

Pridávanie stále viac tranzistorov spôsobuje chladením. To je známy fakt. Teraz však vedci prišli s úplne novým spôsobom, ako znižovať teplo procesorov, a to pomocou tzv. mikroskopických mrazničiek.

-Problém rastúceho tepla je daný pohybom obrovského množstva elektrónov na veľmi malom priestore. Preto sa dnešné procesory dostávajú pri frekvencii okolo 5 GHz na hranicu chladiteľnosti (napríklad nový Phenom II sa podarilo s pomocou tekutého dusíka pretaktovať až na 6,5 GHz, ale ide skôr o výnimočný príklad a pri chladení vzduchom dochádza pri týchto čipoch k prehrievaniu už po prekonaní hranice 4 GHz) a riešenie treba hľadať v alternatívnych chladiacich technológiách.

-Jedno takéto riešenie je už v dohľade – vedci spoločnosti Intel, RTI Internetional a Arizonskej štátnej univerzity v rámci svojej spolupráce vyvinuli špeciálnu mikromrazničku, ktorá môže byť nasadená na procesor a odsáva z neho teplo s chirurgickou presnosťou. Tento chladiaci systém, vyrobený v nanomierke, je výrazne menší než konvenčné chladiče a má aj nižšiu spotrebu energie.

-Názov mraznička je však trochu zavádzajúci (aj keď sa pre riešenie používa). Kým bežné chladničky a mrazničky v domácnostiach využívajú mechanické pumpy na kompresiu a cirkuláciu chladiacej kvapaliny, ktorá absorbuje teplo, nový objav pracuje na úplne inom princípe – ide o supertenký film, vyrobený z termoelektrických molekúl, ako je telurid bizmutitý a telurid antimónový.

-Tieto termoelektrické materiály tak prevádzajú teplo na elektrinu a prostredníctvom elektrónov doslova pumpujú teplo z procesorov, opisuje princíp doktor Rama Venkatasubramanian, ktorý je jedným zo spoluautorov objavu, ktorí publikovali o tomto riešení článok vo vedeckom časopise Nature Nanotechnology.

-Venkatasubramanian a jeho kolegovia pri testoch konkrétne znížili teplotu na simulovanom procesore o 15 stupňov, čo nie je veľa, ale vedci sú optimistickí a sú presvedčení, že pokiaľ nanesú na kremíkový čip materiál, ktorý lepšie vodí teplo, mohla by ich mikroskopická mraznička znížiť teplotu až o 40 stupňov Celzia. Venkatasubramanian dodáva, že nový objav nie je myslený ako náhrada klasických chladičov, ale ako ich doplnok, keď sa synergickým efektom môže dospieť k značne väčšiemu zníženiu teploty než pri použití len jedného z riešení.

-Ako už bolo uvedené, tento vynález je aj energeticky efektívny a jeho spotreba predstavuje v aktívnom režime zhruba 2 až 3 watty.

-Čo sa týka uvedenia tejto technológie na trh, údajne ju už zakúpila spoločnosť Nextreme Thermal Solutions, kde predtým Venkatasubramanian pracoval ako CTO (chief technology officer). V priebehu troch až štyroch rokov by uvedená technológia mohla nájsť uplatnenie aj u veľkých výrobcov čipov, ako je Intel alebo AMD, ktorí nebudú schopní zvyšovať výkon procesorov klasickými metódami a budú hľadať alternatívy chladenia.



Nanotechnológia

Toto je stále veľkou neznámou. Intel, AMD a ostatní výrobcovia sa na poli výskumu snažia prísť s niečím, čo by posunulo hranice súčasného technologického pokroku zase o kúsok ďalej. Snažia sa skúmať uhlíkové nanotrubice, ktoré by podľa Intel-u mali slúžiť predovšetkým k odvodu tepla (napr. z jadra) alebo ako vodiče prúdu (t.j. medzispoje). Tiež sa skúma využitie kremíkových nanovlákien tak, aby bolo možné vytvoriť funkční tranzistor.

-O všetkých týchto nanoštruktúrach sa hovorí takže v tomto smere vývoja by sa mohlo pokračovať potom, dôjde dych súčasným EUV litografiám, teda by sme  mohli vytvoriť komplexní neusporiadanú nanoštruktúru?

-Alebo ako môžeme vytvoriť vzor (masku)?

-A ide to vôbec bez litografie?

-Alebo ako presne jednotlivé nanoštruktúry umiestime a ako môžeme vytvoriť medzispoje?

-Existuje teda cely rad otázok. Teoreticky podľa vyhláseniach  by sa mohlo toto všetko uskutočniť po roku 2012. Uvidíme, pretože dnes to prakticky nikto nemôže potvrdiť.

Dá sa povedať, že trh s procesormi je stabilizovaný, ovládajú ho dve firmy, najme Intel a v druhom rade AMD, a nehrozí ani ďalší vstup nejakého iného výrobcu na trh, a to hlavne v dôsledku zložitých licenčných práv.

Uvidíme teda kde nás súčasný trend zavedie a či existujú bariéry alebo len určitá „obmedzenosť“ ľudského myslenia, ktorá nám braní pozrieť sa ďalej .

Dnešní smer a smer v budúcich rokoch už dnes výlučne určuje víacjadrová technológia. 

 

Odkazy

Odkazy

Elektrotechnika

Rezistor, kondenzátor, cievka, transformátor, dióda,... až procesory.
TOPlist