Первый микропроцессор, выпущенный Intel в 1971 году, содержал 2300 транзисторов и работал на частоте 108 кГц. Для его производства применялся технологический процесс с нормой 10 мкм. Сегодня процессоры содержат сотни миллионов транзисторов и работают на гигагерцовых частотах, а для их производства применяют нанометровые технологии. Размер элементов транзисторов уменьшился настолько, что инженеры уже имеют дело с фундаментальными ограничениями, которые накладывают законы квантовой физики.
 Схема транзистора HK+MG |
Полупроводниковое производство
Переход ко все более тонким процессам производства полупроводниковых кристаллов дает возможность уменьшать размер микросхем и расширять их функциональность. Однако рост тактовой частоты и увеличение числа размещенных на кристалле транзисторов приводит, однако, к увеличению потребляемой и рассеиваемой мощности. Процессоры становятся горячими, и разработчики вынуждены искать решение противоречивой задачи: как увеличить производительность, интегрировать дополнительные функции и одновременно снизить потребляемую мощность. Поэтому не удивительно, что некоторым материалам, применявшимся последние 40 лет в производстве транзисторов, потребовалась замена.
В конце января Корпорация Intel объявила о создании работоспособных опытных образцов пяти процессоров с кодовым названием Penryn из 15 своих продуктов, выпуск которых запланирован с применением новой 45-нанометровой производственной технологии. По словам представителей Intel, инженерам удалось не только уменьшить норму производства, но и благодаря применению новых материалов добиться сокращения рассеиваемой транзисторами мощности. Использование созданных транзисторов позволит достигнуть новых уровней производительности процессоров для настольных ПК, ноутбуков и серверов, обеспечив при этом существенное сокращение тока утечки.
Новый технологический процесс при производстве микросхем предусматривает использование двух новых материалов: диэлектрика с высокой электрической проницаемостью (high-k) на основе гафния и комбинации различных металлов (metal gate). Эти материалы Intel применяет для изготовления затворов 45-нанометровых транзисторов (диэлектрика затвора и электродов затвора).
Затвор представляет собой элемент, который, открывая и закрывая электрический канал, переключает состояние транзистора. Применение новых материалов позволило Intel значительно улучшить характеристики транзистора, в частности, снизить паразитные токи. По заявлению представителей компании, в 5 раз уменьшен ток утечки от истока к стоку (т. е. снижается энергопотребление транзистора), в 10 раз — ток утечки через затвор (по сравнению с диоксидом кремния, который используется в микроэлектронике в качестве диэлектрика затвора транзистора уже более четырех десятилетий, в том числе и в массово применяемом для изготовления процессоров 65 нм технологическом процессе).
Сочетание диэлектрика затвора на основе материала с улучшенной проницаемостью high-k и металлических электродов, используемых в 45-нанометровой производственной технологии Intel, позволяет на 20% увеличить рабочий ток внутри транзистора. Это в свою очередь дает возможность снизить паразитную емкость и тем самым увеличить скорость переключения транзистора.
Уменьшение расстояния между элементами транзистора, которое происходит по мере перехода к более тонким нормам производства, приводит к росту тока утечки. Чтобы бороться с этим эффектом, необходимо увеличивать размеры элементов, сводя на нет преимущества тонкого техпроцесса
Новые материалы не применялись раньше, поскольку с точки зрения технологии производства тяжело подобрать удачную комбинацию металла и диэлектрика с высокой проницаемостью. Первый рабочий транзистор с использованием новых материалов (HK+MG) был создан еще в 2003 году— с того момента шли исследования и проверка технологичности этой связки.
 Беспроводной модуль Intel Next-Gen Wireless-N (кодовое имя Kedron) |
Корпорация Intel подчеркивает важность перехода к новому техпроцессу, поскольку с 60-х годов в производстве микросхем использовали одни и те же материалы. Переход к 45-нанометровым транзисторам с применением новых материалов в корпорации считают принципиальным технологическим прорывом: транзисторы одновременно становятся быстрее и потребляют меньше электроэнергии.
Продукты
Первым функциональным продуктом Intel, изготовленным по нормам 45 нм, стала представленная в январе 2006 года микросхема статической памяти (SRAM). Ёмкость её составила 153 Мбит, физическая площадь одной ячейки — 0,346 кв. микрон, а всей микросхемы — 119 кв. мм. Микросхема содержит более 1 млрд. транзисторов. В состав чипа, помимо ячеек памяти, входят также генератор частоты и блок ввода-вывода, близкие к тем, которые используются в центральных процессорах.
Корпорация Intel планирует применять 45 нм технологию с использованием новых материалов для изготовления новых процессоров на ядре с кодовым названием Penryn (развитие микроархитектуры Intel Core). Оно станет основой нового поколения продуктов семейств Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad и Intel Xeon. На базе ядра Penryn корпорация предполагает выпускать двухъядерные и четырехъядерные настольные, серверные и мобильные процессоры. Двухъядерный процессор на основе ядра Penryn будет содержать около 410 млн. транзисторов, четырехъядерный — 820 млн.
По сравнению с используемым сегодня в настольных и мобильных системах ядром Conroe, которое изготавливается по 65 нм технологии, в ядро Penryn внесен ряд изменений. В корпорации Intel полагают, что продукты, основанные на Penryn, будут работать быстрее не только благодаря увеличению частоты или объема кеш-памяти, но и за счет архитектурных инноваций. В частности, ядро Penryn будет поддерживать около 50 новых инструкций SSE4, которые увеличат производительность систем в мультимедийных и HPC-приложениях. Максимальный объем кэш-памяти процессоров на основе ядра Penryn составит 12 МБ. Кроме того, улучшенния на уровне микроархитектуры позволят Intel применить в ядре Penryn расширенные функции управления энергопотреблением для уменьшения уровня потребляемой и рассеиваемой мощности.
По данным Intel, внедряемый 45 нм техпроцесс характеризуется высокими показателями выхода годных чипов. На начальном этапе выпускать продукты по новой технологии будут три фабрики: D1D, расположенная в Орегоне, Fab32 в Аризоне и Fab28 в Израиле. Массовое производство с применением 45 нм техпроцесса и 300 мм пластин будет запущено на двух фабриках во второй половине этого года, а на третьей — к началу 2008 года. Использование 300 мм пластин позволит Intel практически удвоить количество микросхем, размещенных на одном кристалле Фабрика D1D, расположенная рядом с испытательным центром и заводом по упаковке, является своего рода испытательным полигоном для новых изделий. Там происходит “обкатка” техпроцесса и выпуск тестовых образцов микросхем. Intel намерена и в дальнейшем тестировать новые изделия на мощностях D1D.
Беспроводные технологии
С момента представления технологии Centrino корпорация Intel активно развивает ее, стремясь увеличить набор поддерживаемых беспроводных стандартов, продлить время автономной работы ноутбуков от батарей, повысить быстродействие и уменьшить габариты устройств. Несмотря на взаимоисключающее влияние характеристик, инженерам корпорации удается находить баланс, шаг за шагом улучшая потребительские свойства продуктов на базе этой технологии.
Во втором квартале этого года Intel планирует представить новую версию мобильной платформы, известную сегодня под кодовым названием Santa Rosa. Одним из ее элементов станет уже анонсированный в конце января новый беспроводной модуль Intel Next-Gen Wireless-N (ранее имевший кодовое название Kedron), поддерживающий предварительную версию стандарта 802.11n.
Принципиальной инновацией, реализованной в стандарте, является поддержка технологии MIMO (multiple input, multiple output), которая позволяет значительно увеличить пропускную способность беспроводного интерфейса. При использовании MIMO поток данных разделяют на несколько подпотоков, каждый передаёт и принимает несколько антенн. В платформе Santa Rosa модуль будет работать в формате 3х2 (3 передающие антенны, 2 принимающие), а в существующей сегодня платформе используют схему 2х2.
Для повышения скорости обмена данными используют объединение каналов. С помощью этого подхода можно получить канал 40 МГц, который обеспечит большую по сравнению с используемым обычно 20 МГц каналом пропускную способность. Модуль Intel Next-Gen Wireless-N эту возможность реализует. Помимо этого, он поддерживает агрегацию пакетов, что позволяет уменьшить количество сервисной информации и тем самым еще больше увеличить пропускную способность. Согласно оценкам Intel, применение этих технологий в модуле Intel Next-Gen Wireless-N дает возможность добиться пропускной способности 300 Мбит/с для “сырого” потока и 100 Мбит/с для эффективного потока данных. Согласно заявлениям представителей корпорации, технология Intel Next-Gen Wireless-N позволяет почти в 5 раз повысить пропускную способность при работе в беспроводных сетях и практически удвоить радиус их действия.
Анонсируя модуль Intel Next-Gen Wireless-N, корпорация Intel представила также программу Connect with Centrino, которая призвана обеспечить совместимость различных устройств, поддерживающих предварительную спецификацию 802.11n (окончательную версию стандарта предполагается принять в первом полугодии 2008 года).
В рамках этой программы Intel сотрудничает с ведущими производителями беспроводных точек доступа, в числе которых компании Asus, Belkin, Buffalo, D-Link и Netgear. На момент анонса о поддержке нового сетевого адаптера заявили такие производители мобильных ПК, как Asus, Gateway, Toshiba, — они уже представили готовые изделия на базе технологии Intel Centrino Duo с интегрированным новым беспроводным модулем. Все устройства, прошедшие сертификационные испытания, которые проводились Intel в реальных условиях, будут отмечены специальным знаком “Connect with Centrino”.
По оценкам Intel, использование Next-Gen Wireless-N позволит на час увеличить время автономной работы батареи при включенном беспроводном модуле. А использование односторонней PCI-Express платы уменьшит форм-фактор устройства.
Выводы
Intel в очередной раз удаелось конвертировать инновации полупроводникового производства в ощутимые преимущества использования устройств. Увеличение производительности процессоров и пропускной способности беспроводных адаптеров, дальнейшая миниатюризация устройств, продление времени автономной работы — те преимущества, на которые, делая выбор, ориентируются корпоративные пользователи.
