Szerző: Bodnár Ádám

2003. június 12. 17:36

Intel és AMD: a jövő tranzisztorai

A héten zajlik Japánban a félvezetőgyártás legújabb fejleményei bemutatásának fórumot adó, évente megrendezésre kerülő VLSI Symposium konferencia. A rendezvényen számos iparági nagyágyú ismertette új fejlesztéseit. Cikkünkben az Intel és az AMD legújabb eredményeit mutatjuk be röviden.

A héten zajlik Japánban a félvezetőgyártás legújabb fejleményei bemutatásának fórumot adó, évente megrendezésre kerülő VLSI (Very Large Scale Integration) Symposium konferencia. A rendezvényen számos iparági nagyágyú ismertette új fejlesztéseit. Cikkünkben az Intel és az AMD legújabb eredményeit mutatjuk be röviden. Az Intel már néhány nappal korábban, június 5-én, egy nemzetközi telefonos konferencia keretében beszámolt jó néhány gyártástechnológiai újdonságról, melyeket a héten a VLSI Symposiumon is ismertetett. Az elkövetkezőkben a vállalat jövőbeli gyártástechnológiájának alapját képező tri-gate tranzisztor elgondolást vázoljuk.

A kutatók jó ideje igyekeznek olyan tranzisztorstruktúrákat létrehozni, amelyek alacsonyabb fogyasztás mellett képesek megbízhatóan működni. Az alacsony fogyasztás elérésének egyik kulcsfontosságú eleme a szivágási áram csökkentése. A szivárgás (szivárgási áram) a félvezetők lezárt átmenetén létrejövő jelenség, amely szabad elektronok és lyukak kombinációjából származik és nanoamper nagyságrendű. Ez a jelenség az egyik legnagyobb probléma a nagyteljesítményű processzorok tervezésében. A processzorok fogyasztása a működési feszültség csökkentésével mérsékelhető, azonban ahogy a tranzisztorok nyitófeszültsége (az a feszültségszint, amikor a tranzisztor "bekapcsol") tart a 0 Volthoz, a szivárgási áram nő és egyre nagyobb problémát okoz.


Planáris tranzisztor

A szivárgási áram elsősorban azért jelent komoly problémát a növekvő komplexitású processzorokban, mert a chipben található összes tranzisztorban jelen van, még azokban is, amelyek az adott időpillanatban nem aktívak -- az aktív tranzisztorok száma adott pillanatban általában 10 százalék körüli. Ezért a szivárgás rendkívüli módon növeli a disszipációt, ráadásul az áramkör bonyolultságával, a tranzisztorszám növekedésével együtt növekszik. A szivárgási áram -- mivel a tápfeszültséggel fordítottan arányos -- egy kisebb csíkszélességű gyártástechnológia bevezetésénél akár két-háromszorosára is nőhet, ezért a jelenség megnyugtató kezelése a kutatók elsőszámú feladata.

Az Intel által tavaly bejelentett planáris (réteges felépítésű) TeraHertz tranzisztor is alacsonyabb szivárgási mutatókkal bír a jelenleg elterjedteknél, de a vállalatok az utóbbi időben egyre gyakrabban alkalmaznak nem-planáris technológiákat, mint amilyen az IBM által kifejlesztett Double Gate (FinFET). Az Intel azonban úgy véli, hogy a riválisok által alkalmazni kívánt tranzisztorok előállítása költséges, teljesítményük pedig nem igazolja a várakozásokat. A cég kutatói ezért egy háromkapus nem-planáris tranzisztort fejlesztettek ki, amely elmondásuk szerint a jelenlegi gyártástechnológiával is előállítható, míg a hasonló kapuhosszúságú planáris tranzisztorokénál 20%-kal jobb teljesítményt nyújt.


Double-gate (FinFET) tranzisztor

A tri-gate tranzisztor alkotóelemei nem rétegszerűen helyezkednek el, hanem három dimenziós struktúrát alkotnak. A double gate tranzisztorhoz hasonlóan a forrás (source) és a nyelő (drain) a szubsztrátból kiemelkedő vezetéken kap helyet, amelyet azonban három oldalán érintve (tri-gate) satuszerűen fog közre a kapuelektróda (gate). Az Intel először a 2002 őszén rendezett ISSDM (International Solid-State Devices and Materials) konferencián jelentette be tri-gate tranzisztorának elkészültét. Bár már a tavaly ősszel bemutatott megoldás is rekordteljesítményt és egyedülállóan alacsony szivárgási mutatókat tudott felmutatni, a vállalat azóta folyamatosan tökéletesítette az elgondolást, amelynek eredményeképp a kapuhosszt 60 nanométerről 30 nanométerre tudta csökkenteni.


Tri-gate tranzisztor

[oldal:A tri-gate jelentőségéről]

Ken Davis, az Intel gyártástechnológiai fejlesztési részlegének vezető kutatója a telefonos konferencia keretében tartott előadásában kiemelte, hogy a tri-gate tranzisztorok életciklusa a kutatási szakaszból immár a fejlesztési szakaszba lépett. Az Intel kutatója elmondta, hogy a következő generációs gyártástechnológiák és megoldások esetében az ötletek először az útkeresési fázison mennek keresztül, ekkor a vállalat szakemberei a létező összes olyan alternatívát megvizsgálják, amely szóba jöhet az új generációs fejlesztéseknél. Davis szerint ebben az esetben az Intel mind a planáris, mind a double gate (FinFET), mind a tri-gate tranzisztorokat vizsgálta és végül legutóbbiak mellett döntött. Ez a döntés egyben azt jelenti, hogy minden bizonnyal tri-gate tranzisztorok képezik a vállalat 2007-ben bevezetendő, P1266 kódnevű, 45 nanométeres csíkszélességű gyártástechnológiájának alapját.

Ken Davis rámutatott, hogy a planáris tranzisztorok esetében a kapuhossz közel háromszor nagyobb, mint a szilíciumcsatorna vastagsága, utóbbi azonban nem csökkenthető tetszőleges mértékben. A double-gate (FinFET) tranzisztorok esetében a kapu alatt található szigetelőréteg mérete a kapuhossz kétharmada, ezért ezbben az esetben a litográfiai eszközöknek egy generációval meg kell előznie korukat, ugyanis a félvezető áramkörök a kapuhossznál lényegesen kisebb elemeket is tartalmaznak. A tri-gate tranziszotoroknál azonban a szilíciumcsatorna vastagsága gyakorlatilag megegyezik a kapuhosszal.

Davis szerint az Intel kísérletei azt mutatják, hogy a tri-gate tranzisztorok alkalmazásával a kapcsolási sebesség jelentősen növekszik, a szivárgási áram pedig a hasonló méretű sík tranzisztoroknál akár százszorta kisebb lehet. A kísérletek alapján elmondható, hogy a tri-gate tranzisztorok alkalmazásával a szivárgási áram az AMD és az IBM által is alkalmazni kívánt, SOI technológiával előállított fully-depleted (rendkívül vékony szilíciumfilm választja el a szigetelőréteget és a csatornát) tranzisztorokat magában foglaló technológiához mérhető.


Tri-gate tranzisztor fotója

Az Intel kutatója elmondta, hogy a tri-gate tranzisztorokból álló kísérlei áramkörök a vállalat oregoni D1C üzemében készültek és ez lesz az a chipgyár, ahol az Intel elsőként bevezeti a 45 nanométeres csíkszélességű P1266 gyártástechnológiát. Davis kiemelte, hogy az alkatrészek gyártásához a már meglevő eljárások és eszközök jelentős része felhasználható, ami rendkívüli módon csökkenti az előállítási költségeket. A 45 nanométeres technológiával előállított Intel chipek sorozatgyártása a jelenlegi tervek szerint 2007-ben kezdődik meg.

A fogyasztás és hőtermelés csökkentésének jegyében az Intel három további újdonságról is beszámolt. A vállalat többek között olyan technológiákkal küzd ezen jelenségek ellen, mint a már ismertetett tri-gate tranzisztor, speciális áramkörtervezési eljárások, többszálú utasításvégrehajtás (multi-threading), vagy új tokozás. A vállalat szintén a VLSI Symposium 2003-on hozta nyilvánossága egy, a Purdue egyetemmel közösen végzett kutatás eredményeit. Ezek szerint az áramkör elemeinek megfelelő elrendezésével a felhasznált gyártástechnológiától függetlenül akár ötödére csökkenthető a gyártástechnológiai pontatlanságokból adódó selejtarány.


256 bejegyzést tartalmazó 64 bites regiszterfájl

A vállalat az alacsony szivárgás kapcsán még két további újdonságról számolt be, azonban a telefonos konferencián ezeket részleteiben nem ismertették. Az egyik újdonság egy 90 nanométeres csíkszélességű, 256 bejegyzést tartalmazó 64 bites regiszterfájl, amelynek tápfeszültsége 0,9 és 1,2 Volt között változhat. A változó tápfeszültségnek köszönhetően az Intel 46 százalékkal tudta csökkenteni a szivárgást. A regiszterfájl maximális órajele 6,5 GHz lehet. A másik hasonló újdonság egy 1 GHz-es órajelű 16x16 bites MAC (szorzatösszeg) egység, amely szintén 90 nanométeres csíkszélességgel készül és a dokumentált megoldások közül a legnagyobb teljesítmény/fogyasztás aránnyal rendelkezik, ugyanis 1 GHz-es órajelet figyelembe véve fogyasztása 22 milliwatt. A MAC igény esetén 500 MHz-es órajelen is járatható, ekkor 0,8 Voltos tápfeszültséggel 3 milliwattot fogyaszt.

[oldal:Újdonságok az AMD műhelyéből]

Az Intel elsőszámú riválisának számító Advanced Micro Devices (AMD) az év eleje óta az IBM-mel szoros együttműködésben dolgozik a jövő félvezető áramköreiben felhasználható technológiák fejlesztésén. A sunnyvale-i vállalat kutatóinak -- amint arról a rendezvényen beszámoltak -- az IBM által kifejlesztett SOI és feszített szilícium (strained silicon) technológiákat alkalmazva sikerült minden korábbi dokumentált megoldásnál gyorsabb tranzisztorokat létrehozniuk. A sebességnövekedés az újonnan bevezetett, fémből készült gate-elektródának köszönhető.

A jelenlegi tranzisztorok nagy többségén az áram folyását szabályozó kapuelektróda polikristályos szilíciumból (poliszilícium) készül. Az AMD kutatói azonban nikkelszilicidet használtak, és azt tapasztalták, hogy jelentősen javult a kapu vezetőképessége és csökkent a szivárgás. Ezt a megoldást kombinálva a fully depleted SOI (FDSOI) technológiával készítettek el egy olyan p-csatornás MOS (PMOS) tranzisztort, amely 30 százalékkal gyorsabb, mint a dokumentált hasonló megoldások. A SOI gyártási mechanizmus során a csatornát, ahol a tranzisztor árama folyik, egy rendkívül vékony üveg vagy szilícium-dioxid szigetelőréteggel választják el a szilíciumkristálytól.


Feszített szilícium (Forrás: IBM Research)

Szintén nikkelszilicid kapuelektródával, de feszített szilícium technológiát alkalmazva pedig olyan n-csatornás MOS (NMOS) tranzisztort sikerült létrehozniuk a kutatóknak, amely 20-25 százalékkal nyújtott jobb teljesítményt, mint a publikált hasonló megoldások. A feszített szilícium technológia hátterében az a felismerés áll, hogy egyes ásványok atomjai természetüknél fogva idomulnak egymáshoz. Amennyiben szilíciumot helyeznek egy lazább atomi szerkezetű hordozóra (mint amilyen az egyebek mellett az IBM által használt szilícium-germánium), a szilícium atomjai idomulnak a hordozóéihoz és "kifeszülnek". E kifeszülő, elnyúló szilíciumon a kisebb ellenállásnak köszönhetően a technológiát kidolgozó IBM szerint 70%-kal gyorsabban áramolnak keresztül az elektronok, ami a chipek esetében 35%-os teljesítménynövekedéshez vezethet.

Craig Sander, az AMD gyártástechnológia-fejlesztési igazgatója a rendezvényen elmondta, hogy az ismertetett fejlesztések várhatóan a 65 nanométeres és annál fejlettebb gyártástechnológia bevezetésekor juthatnak szerephez. Az AMD kutatásai azt mutatják, hogy a feszített szilícium és a SOI technológia egyszerre is alkalmazható a gyártási folyamat során. A vállalat egyben vizsgálja a többkapus megoldásokat is, így kísérletezik az IBM által preferált FinFET, vagy kétkapus, és az Intel által támogatott háromkapus tranzisztorokkal is, azonban egyelőre még egyik megoldás mellett sem kötelezte el magát.

Nagyon széles az a skála, amin az állásinterjú visszajelzések tartalmi minősége mozog: túl rövid, túl hosszú, semmitmondó, értelmetlen vagy semmi. A friss heti kraftie hírlevélben ezt jártuk körül. Ha tetszett a cikk, iratkozz fel, és minden héten elküldjük emailben a legfrissebbet!

a címlapról