32 нм: версия Intel

Корпорация Intel представила на минувшей неделе новую 32-нм производственную технологию, основанную на использовании диэлектриков high-k во втором поколении транзисторов с металлическими затворами. О некоторых технических аспектах новой технологии мы расскажем в этой статье.

В 2007 году, когда был впервые представлен 45-нм производственный процесс (P1266), применение транзисторов с диэлектриками high-k и металлическими затворами стало настоящим техническим прорывом: новые элементы обладали более высокой производительностью и имели малый ток утечки. После освоения процесса P1266 корпорация Intel дала обещание оперативно наладить серийный выпуск 45-нм процессоров. В настоящее время на основе этого техпроцесса выпускаются одноядерные процессоры Intel Atom, двухъядерные Core 2 Duo, четырехъядерные Core i7 и шестиядерные процессоры Intel Xeon серии 7500.
Переход на 32-нм техпроцесс прорывом назвать трудно, ведь технология производства в основе своей несёт давно отлаженную схему производства 45-нм чипов с микроархитектурой Nehalem (Core i7). Однако в новой технологии реализовано множество усовершенствований по сравнению с первым поколением транзисторов с диэлектриками high-k и металлическими затворами. К примеру, эквивалентная толщина оксидного слоя диэлектриков high-k уменьшилась с 1,0 нм (45-нм процесс) до 0,9 нм (32-нм процесс), а длина затвора сократилась до 30 нм, что позволяет говорить о появлении на свет транзисторов с самым маленьким шагом затвора в отрасли. Кроме того, благодаря уменьшению толщины оксидного слоя и длины затвора скорость срабатывания транзисторов выросла более чем на 22%.
В 32-нм процессе используются те же самые основные технологические операции по осаждению металла на затворе, что и в 45-нм технологии, поэтому можно применять наработки, хорошо себя зарекомендовавшие в существующем крайне успешном производстве. Эти усовершенствования являются важнейшим условием для уменьшения размеров интегральных схем и повышения быстродействия транзисторов. 32-нм производственная технология с транзисторами с диэлектриками high-k и металлическими затворами второго поколения позволяет разработчикам одновременно оптимизировать размеры и производительность кристаллов.

Кроме всего прочего, у новых транзисторов снижена величина тока утечки — более чем в 5 раз по сравнению с 45-нм NMOS-транзисторами и более чем в 10 раз по сравнению с PMOS-транзисторами. Это даёт возможность проектировать более компактные микросхемы, обладающие улучшенным соотношением «цена/производительность». В 32-нм процессе также используется технология напряженного кремния четвёртого поколения, позволяющая повысить быстродействие транзисторов.

• • •
На примере 32-нм микросхемы статической памяти была продемонстрирована жизнеспособность процесса и в очередной раз подтверждена актуальность закона Мура. Опытный образец 32-нм микросхемы памяти SRAM, впервые продемонстрированный в сентябре 2007 года, стал не только доказательством жизнеспособности этого производственного процесса, но и очередным подтверждением справедливости хорошо всем знакомого закона (см. врезку). Перейдя на 32-нм технологию, корпорация Intel получила возможность уменьшить размер ячейки с 0,356 мкм2 (45-нм процесс) до 0,171 мкм2 (32-нм процесс).
Если вспомнить предыдущие реализации производственных технологий, станет понятно, что Intel продолжает свой курс по уменьшению размеров транзисторов на 50% каждые два года. При этом удваивается плотность транзисторов на кристалле. Экспериментальная микросхема достаточно сложна (более 1,9 млрд транзисторов), имеет большую емкость (291 Мбит) и высокое быстродействие (работает на частоте 4 ГГц). Она является отличным «испытательным стендом» для отладки технологии — увеличения выхода годных изделий, повышения производительности и надежности — в процессе подготовки к выпуску 32-нм процессоров.
При этом график роста процента выхода годных изделий, выпускаемых по 32-нм технологии, в точности повторяет картину, наблюдаемую при подготовке 45-нм процесса к промышленной эксплуатации, а значит, повышение сложности не сказалось на качестве выпускаемых чипов.
В течение следующих двух лет Intel планирует подготовить четыре завода к переходу на выпуск процессоров по 32-нм технологии. Фабрика D1D (Орегон) уже функционирует, фабрика D1C (Орегон) будет удовлетворять требованиям к производству 32-нм продукции к четвёртому кварталу 2009 года, а в 2010-м будут модернизированы ещё два предприятия: Fab 32 (Аризона) и Fab 11X (Нью-Мехико).

* * *
Первым семейством процессоров, которые станут выпускаться по 32-нм технологии, станут чипы с кодовым именем Westmere, основанные на 32-нм версии микроархитектуры Nehalem, будут доступны для разных сегментов. Эта стратегия ступенчатого развития известна как модель Intel «тик-так». Новаторская микроархитектура «обкатывается» на текущем производственном процессе, затем переносится на новую производственную технологию. 45-нм продукты на базе Nehalem («так») представляли во многом новую процессорную архитектуру и исполнение, и их выпуск был начат по 45-нм производственной технологии, уже находившейся в промышленной эксплуатации. Процессоры на базе Westmere («тик»), начало производства которых запланировано на 4-й квартал 2009 года, станут следующим этапом.
Цель этапов «тик» в производственной модели «тик-так» — перенос существующей процессорной микроархитектуры на процессоры, компоненты которых имеют меньший размер. Обычно при переходе на новую производственную технологию процессор подвергается небольшой модернизации (если это целесообразно). Процессоры на базе Westmere являются исключением из этого правила: в них добавлены новые инструкции микрокода, а также новые аппаратные функции для улучшения управления питанием.
С началом выпуска процессоров на базе Westmere микроархитектура Intel под кодовым наименованием Nehalem станет доступной для систем массовой категории. Процессоры на базе Westmere будут иметь более высокую производительность (по сравнению с семейством 45-нм процессоров на базе микроархитектуры Intel Core) и ядро меньшего размера. Они станут основой многокристальных модулей (Multi-Chip Package, MCP) с графическим ядром, интегрированном в CPU.

Со временем, после внедрения 32-нм производственного процесса, начнётся выпуск процессоров на базе микроархитектуры под кодовым наименованием Westmere для сегментов мобильных, настольных систем и серверов. Согласно планам следом за 45-нм четырёхъядерными процессорами Core i7 и Core i7 Extreme, поддерживающими восемь потоков инструкций, появятся их 32-нм версии под кодовым наименованием Gulftown, предназначенные для профессиональных настольных вычислительных систем. Для сегментов высокопроизводительных и массовых настольных ПК к 45-нм процессорам под кодовым наименованием Lynnfield (4 ядра и 8 вычислительных потоков) добавятся 32-нм процессоры под кодовым наименованием Clarkdale (2 ядра/4 потока), а также процессоры Clarkdale со встроенной графической системой.
В сегменте мобильных процессоров останутся 45-нм процессоры под кодовым наименованием Clarksfield (4 ядра/8 потоков), а в сегментах высокопроизводительных и массовых систем произойдёт переход на 32-нм процессоры под кодовым наименованием Arrandale (2 ядра/4 потока), начало выпуска которых намечено на 4-й квартал 2009 года.
Также запланирован переход на 32-нм производственную технологию во всех основных сегментах серверных процессоров Intel Xeon. Здесь будут использоваться процессоры Clarkdale (сразу после начала их выпуска для настольных систем). Сегмент «эффективной производительности» (процессоры Xeon серии 5000) в будущем переведут с 45-нм процессоров Nehalem-EP на 32-нм процессоры на базе Westmere. Сегмент «расширяемых систем» (Xeon 7000) в будущем также переведут с 45-нм процессоров Nehalem-EX на 32-нм процессоры на базе Westmere.

* * *
32-нм процессоры для клиентских систем будут отличаться не только более высокой производительностью и меньшими размерами кристалла. Массовые клиентские платформы претерпят значительные изменения с появлением новых процессоров Clarkdale и Arrandale.
ПК массовой категории строятся на базе решения из трёх микросхем: процессора и «северного моста» (GMCH), включающего интегрированную графику, контроллер памяти, устройство индикации и устройство управления (Manageability Engine) на базе технологии Intel vPro. Третья микросхема — «южный мост» (ICH) — главным образом отвечает за управление функциями ввода/вывода.
В клиентских системах на базе Westmere интегрированная графическая подсистема и контроллер памяти будут размещаться в корпусе процессора в многокристальном модуле. Графический адаптер и контроллер памяти будут реализованы на 45-нм кристалле, смонтированном в общем корпусе с 32-нм кристаллом процессора. В будущем появится вторая микросхема, которая будет включать устройство управления на базе Intel vPro, контроллер ввода/вывода и устройство индикации. Эта новая микросхема для будущих 45-нм и 32-нм процессоров будет называться «набор микросхем Intel серии 5».
В процессорах Westmere будут реализованы новые инструкции для ускорения выполнения алгоритмов шифрования и расшифровки. Эти шесть новых инструкций соответствуют криптографическому стандарту Advanced Encryption Standard (AES) и ориентированы на применение в корпоративных вычислительных средах. Например, можно будет разрабатывать ПО, использующее аппаратную реализацию алгоритма AES для шифрования всего содержимого жёсткого диска.

* * *
Что же, картинка вырисовывается довольно красивая, но так ли гладко всё будет на практике? Ведь в условиях развивающегося кризиса выпуск на рынок новых продуктов — дело довольно рискованное. Особенно если речь идёт о классе высокопроизводительных процессоров, а не бюджетных решений.
Так или иначе, окончательно всё расставить по своим местам может лишь время. Нам же остаётся лишь ждать и наблюдать.

При написании статьи использованы материалы, предоставленные пресс‑службой компании Intel, а также информация с сайта wikipedia.org.


Рекомендуем почитать: