Transistor: è l`ora dei 45 nm

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Transistor,
è ora dei 45 nm
Penryn, il futuro prossimo dei processori Intel,
integrerà transitor realizzati con un processo
produttivo a 45 nm e
nuova metallizzazione.
A cura di Davide Piumetti
egli ultimi anni l’evoluzione
dei processori Intel ha seguito una strada ben definita, caratterizzata dall’introduzione
di una nuova architettura con cadenza ogni due anni. A ogni generazione successiva, grazie al miglioramento nelle tecnologie di
produzione, i progettisti cercano di
migliorare le caratteristiche dei
processori precedenti aumentandone la potenza elaborativa e implementando nuove capacità.
L’aumento delle prestazioni tra
due differenti generazioni architetturali è dovuto in particolar modo al miglioramento della tecnolo-
N
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PC Professionale - luglio/agosto 2007
gia produttiva, in grado di costruire
transistor sempre più piccoli e più
veloci. A ogni passaggio generazionale Intel è riuscita a rispettare
una delle più famose leggi in ambito elettronico, quella che Gordon
Moore predisse nel 1965. Più di
quarant’anni fa Moore pronosticò
un raddoppio del numero di transistor che costituiscono un processore ogni 18/24 mesi; e questo, dati
alla mano, è esattamente quanto
successo negli ultimi decenni.
La produzione di un processore costituito da un numero doppio di
transistor rispetto al precedente pone però seri problemi tecnici nella
IN PROFONDITÀ
CPU
Le moderne Cpu sono composte da milioni di transistor, con una crescita esponenziale del loro numero al passare degli anni.
Ad esempio, restando nell’ultima decade, il processore Pentium III del 1999 (a sinistra nelle foto) integra “appena” 9,5 milioni
di transistor, mentre il primo Pentium 4, datato 2000, arrivava a 42 milioni (al centro). L’odierno prodotto di punta di Intel, il
QX6800 Core 2 Extreme, è costituito da 580 milioni di transistor, mentre il futuro quad core con die Penryn (a sinistra nelle
foto) avrà 820 milioni di transistor, più o meno quanti ne sono presenti in novanta Pentium III.
realizzazione pratica: l’energia necessaria al suo funzionamento, così
come l’area occupata e il calore
prodotto, raddoppieranno di conseguenza, rendendo spesso impossibile ottenere chip più evoluti senza
modificarne anche il processo fisico
di produzione.
Solo una nuova tecnologia che utilizzi transistor più piccoli permette
infatti di aumentare il numero degli
stessi in un processore (e di conseguenza le prestazioni) mantenendo
invariate le richieste energetiche.
Ne consegue che la progettazione
di una nuova microarchitettura è
strettamente legata all’introduzione
di un nuovo processo produttivo, in
grado di gestire un maggior numero di transistor. La massima espressione della tecnologia produttiva
attuale è in grado di costruire transistor dalle dimensioni di circa 65
nanometri (un capello umano ha un
diametro di circa 90.000 nanometri), mentre il prossimo stadio evolutivo è stato fissato nei processori
Intel a 45 nm.
Il raggiungimento di dimensioni
talmente ridotte pone però dei
grossi problemi alla tecnologia attuale, che non riesce a essere utilizzata quando le dimensioni di alcune parti dei transistor sono di appena qualche centinaio di atomi. Intel
ha però già la soluzione al problema, dopo più di quarant’anni si appresta infatti a un cambio radicale
nella tecnologia di produzione, rimasta praticamente immutata per
tutto questo tempo.
Evoluzione Cpu
Come detto l’evoluzione dell’architettura dei microprocessori è
strettamente legata all’introduzione di un nuovo processo di produzione degli stessi, in grado di costruire transistor più piccoli e veloci che possano essere stipati in numero molto maggiore nella stessa
porzione di silicio.
Ingegnere Intel mostra un wafer
da 300 mm con circuiti a 45 nm.
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Difficilmente però un’azienda come Intel rischierebbe di introdurre
nello stesso momento un’architettura e un processo di produzione
completamente nuovi; le variabili
e i possibili problemi in gioco sarebbero davvero troppi.
La strada intrapresa da Intel è leg g e r m e n t e d i f f e r e n t e , un nuovo
processo produttivo viene infatti
adottato solo su di una architettura già conosciuta e perfettamente
funzionante e nello stesso modo
una nuova architettura è implementata attraverso un processo
produttivo già collaudato. Gli ultimi anni di evoluzione Intel ne sono un perfetto esempio, nel 2005
venne introdotto il processo a 65
nm con i processori Pentium D basati sull’architettura NetBurst già
utilizzata dai Pentium 4; l’anno
successivo, con la tecnologia di
produzione giunta alla piena maturazione fu la volta del cambio di
architettura, con l’introduzione di
Core. Nei prossimi mesi, secondo i
piani di Intel, ci si dovrebbe quindi
aspettare il passaggio alla nuova
tecnologia di produzione, fissata a
45 nm.
In contemporanea Intel non presenterà però una nuova architettura completa, ma un’evoluzione di
quella Core con i processori chiamati Penryn. Solo il prossimo anno, con la tecnologia a 45 nm perfettamente funzionante, Intel pro-
Shrink / affinamento
Presler • Yonah • Dempsey
Nuova microarchitettura
Intel Core
Shrink / affinamento
Penryn
Nuova microarchitettura
Nehalem
Avanzamenti architetturali
2 ANNI
2 ANNI
IN PROFONDITÀ
CPU
65
nm
45
nm
Gesher
22 nm
Nehalem-c
Nehalem
32 nm
Penryn
Core
45 nm
2 ANNI
65 nm
Shrink / affinamento
Westmere
Nuova microarchitettura
Gesher
90 nm
32
nm
2004
2005
2006
Nuova architettura
Nuovo processore
2007
2008
2009
2010
2011
2012
Anni
Evoluzione architetturale
Evoluzione tecnologia costruttiva
Per la sua politica di update Intel ha coniato il termine tick-tock (equivalente del tic-tac italiano). Nelle roadmap
della casa di Santa Clara lo stadio tick è rappresentato dalla fase di miglioramento dell’architettura pre-esistente,
miglioramento che passa per l’ottimizzazione e la riduzione del processo produttivo. Lo stadio tock prevede invece
il lancio di un’architettura completamente nuova, però realizzata con il processo produttivo della fase precedente.
porrà la nuova architettura, vera
rivoluzione rispetto all’attuale.
Transistor,
come funzionano
I transistor utilizzati nei microprocessori moderni sono prodotti attraverso una tecnica litografica,
analizzata in un box a parte.
La loro forma e composizione è rimasta immutata negli ultimi quarant’anni, con qualche piccolo accorgimento tecnico di minore importanza implementato negli anni
ottanta e novanta.
La vera evoluzione nella loro fab bricazione è stata la drastica riduzione delle dimensioni, che tridimensionalmente si dimezza ogni
Fab 32, in Arizona, una delle 3 fabbriche Intel attive nella produzione a 45 nm.
due anni circa. Un singolo transistor funziona praticamente come
un interruttore a tre contatti: lascia
fluire una corrente elettrica tra
due di essi solo se è stato “acceso”
attraverso il terzo contatto. Nei
L’evoluzione dei processi produttivi
Nome produttivo
Processo litografico
Anno di introduzione
Diametro wafer (mm)
P860
P1262
P1264
P1266
P1268
130 nm
2001
200/300
90 nm
2003
300
65 nm
2005
300
45 nm
2007
300
32 nm
2009
300
70
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processori moderni si utilizza la
tecnologia Cmos (Complementary
Metal Oxide Semiconductor) che
si basa sull’utilizzo contemporaneo di due tipi distinti di transistor,
chiamati Nmos (Negative Mos) e
Pmos (Positive Mos). Questi ultimi
si differenziano per il segnale di
accensione: nel primo si ha passaggio di corrente quando la tensione sul terzo contatto supera una
certa soglia, nel secondo quando
la tensione è al di sotto di essa.
Fisicamente sono costituiti da un
IN PROFONDITÀ
CPU
Strato a bassa
resistenza
Strato a bassa
resistenza
Elettrodo del Gate
(polisilicio)
Elettrodo del Gate
(Metal Gate)
Dielettrico
del Gate (SiO2)
Dielettrico del
Gate (High-K)
Source
Drain
Substrato di silicio
Transistor tradizionale
substrato di silicio, un semiconduttore che in base alle esigenze può
funzionare sia come un normale
conduttore elettrico sia come un
isolante.
Ai lati del transistor sono poste
d u e r e g i o n i p a r t i c o l a r i , che rappresentano i due contatti attraverso i quali fluisce la corrente, chiamati source e drain, rispettivamente la sorgente della corrente e la
sua destinazione. Queste regioni
sono costituite da silicio opportunamente drogato con altri elementi chimici per garantire una migliore conducibilità elettrica.
Nella zona centrale, detto canale,
fluisce la corrente elettrica quando
il transistor viene attivato ed è il
solo punto interno del transistor
Source
Drain
Substrato di silicio
Transistor Metal Gate e High-K.
che è stato leggermente modificato negli ultimi anni.
Il silicio, una volta puro, viene oggi depositato su una base di un altro semiconduttore caratterizzato
da un reticolo cristallino con maglie più larghe o più strette rispetto al silicio in base al tipo di transistor che si vuole ottenere, Nmos o
Pmos. Con questo deposito si ottiene uno stiramento o una compressione del reticolo cristallino
del silicio, che va a uniformarsi a
quello sottostante garantendo una
maggiore (o minore) mobilità degli elettroni e una migliore conducibilità elettrica, mantenendo però
inalterate tutte le altre caratteristiche fisiche del silicio.
Questa tecnica, utilizzata per la
prima volta da Intel nel 2002,
prende il nome di Strained Silicon.
Sopra al canale di conduzione viene depositato un piccolissimo strato di diossido di silicio, con proprietà isolanti atte a impedire che
la tensione applicata al contatto
superiore (chiamato gate) generi
una corrente che possa impedire il
corretto funzionamento del transistor. Sopra a esso si trova l’elettrodo del gate, costituito in polisilicio
cristallino e drogato in maniera
differente in base al tipo di transistor desiderato, Nmos o Pmos.
L’ultima parte superiore, un piccolo strato di tungsteno con una bassissima resistenza elettrica, serve a
migliorare le interconnessioni con
l’esterno, ed è stata introdotta verso la fine degli anni ottanta.
Transistor,
perché cambiano
Da più di quarant’anni la costruzione di questi microscopici interruttori elettronici non ha subito
modifiche sostanziali, la ricerca associata era volta quasi esclusivamente alla riduzione delle dimensioni, attraverso tecniche di produzione sempre più complesse. Negli
Da sinistra a destra: nel processo a 130 nm del 2001 la distanza tra source e drain, detta larghezza di canale, era di 70 nm,
mentre lo spessore del dielettrico isolante del gate di 1,5 nm. Nel 2003, con il passaggio a 90 nm la larghezza di canale si è ridotta
a 50 nm, e lo spessore a 1,2 nm. Due anni dopo, con i 65 nm le misure del transistor si sono ridotte a 35 nm e 1,2 nm. Nel 2007,
con il passaggio ai 45 nm si rivoluzionano ancora le misure: adesso la larghezza di canale è di 20 nm e lo spessore sale a 3 nm.
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IN PROFONDITÀ
CPU
Il processo fotolitografico
L
a produzione dei microprocessori avviene in strutture molto
particolari solitamente chiamate
Fabs (Fabrication Facilities) , che
possono essere immaginate come
una via di mezzo tra una fabbrica
e un laboratorio scientifico. Tutto il
processo di produzione avviene
internamente e consiste in più di
300 singoli passi, in ognuno dei
quali possono venire utilizzate varie sostanze chimiche, vari tipi di
gas e anche la luce.
Nonostante l’enorme complessità
della produzione il componente
base utilizzato dai transistor è il
comune silicio, l’elemento chimico
più abbondante sulla terra fatta
eccezione per l’ossigeno.
Il silicio viene innanzitutto trattato
c hi micament e per renderlo il più
puro possibile (fino al 99,9999%) e
poi aggregato in cilindri dal diametro di circa 40 centimetri. All’inizio della produzione questi cilindri vengono “affettati” e rifiniti, fino alle dimensioni corrette per l’inizio del procedimento. Nascono
quindi i wafer, dallo spessore di
poco meno di un millimetro e diametro di 30 centimetri. In seguito
essi vengono rifiniti e levigati a
specchio, portando le due facce
opposte a una planarità e un parallelismo che non ha eguali nell’industria civile.
Il lungo e complesso processo di
produzione può essere comunque
suddiviso in tappe fondamentali,
sulle quali andiamo a soffermarci.
La prima fase, non presente in figura, è quella di isolamento e di
coating; sul wafer di silicio purissimo viene fatto crescere uno strato
di diossido di silicio mediante una
cottura ad altissima temperatura
in presenza di ossigeno molecolare libero. Nel passo successivo il
tutto viene ricoperto da un sottile
strato di un materiale detto photoresist che, esattamente come una
pellicola fotografica, cambia il
proprio stato molecolare quando
esposto a una fonte di luce, in
questo caso ultravioletta. Successivamente sull’intera superficie
del wafer viene posizionata una
maschera che definisce le forme
del circuito, allineata su di esso in
modo perfetto da una macchina ad
altissima precisione. La presenza
della maschera fa si che, dopo
un’esposizione a raggi ultravioletti, solo la parte del photoresist non
coperta cambi chimicamente,
mantenendo inalterata la porzione
nascosta.
L’effetto della modifica chimica
del photoresist è di legarsi indissolubilmente al materiale sottostante, creando un composto parzialmente solubile che viene poi rimosso attraverso l’immersione in
un fluido apposito con un processo
chiamato etching.
La rimanente parte del photoresist
non esposta ai raggi ultravioletti
può essere tolta in maniera molto
semplice lasciando inalterata la
porzione sottostante.
Dopo l’intero processo sul wafer di
silicio rimane impressa la sagoma
della maschera formata dal primo
materiale depositato sullo stesso,
in maniera simile a quanto accade
sulla pellicola di una macchina fotografica.
Raggi ultravioletti
Maschera
Photoresist
Diossido di silicio
Wafer
Maschera
Photoresist
Diossido di silicio
Wafer
Dopo l’incisione
Diossido di silicio
Wafer
Dopo la rimozione del photoresis
Polisilicio
Questo è però solamente il primo
livello, molti altri vengono aggiunti in seguito attraverso la stessa
tecnica ma con materiali di partenza differenti, creando un disegno tridimensionale sulla superficie del wafer di silicio. Semplificando in procedimento come mostrato in figura il passo successivo
è quello di aggiungere il dielettrico del gate, basato sul diossido di
silicio o sulla tecnologia High-K,
in base al processo produttivo utilizzato. La porzione di silicio puro
rimasta allo scoperto viene a questo punto drogata con elementi
chimici capaci di alterare il modo
in cui il silicio conduce la corrente
elettrica, attraverso un bombardamento di ioni nelle zone desidera-
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Diossido di silicio
Ossido del gate
Wafer
Aggiunta dei livelli
te. Dopo che la struttura base è
completa essa viene rivestita da un
materiale isolante, attraverso una
opportuna maschera che lascia libere solo le zone che diverranno i contatti fisici del transistor.
I contatti vengono poi rivestiti da un
m e t a l l o a bassa resistenza come il
tungsteno e sopra di essi vengono
finalmente creati i contatti e le in-
Polisilicio
Diossido di silicio
Silicio drogato
Wafer
Drogaggio
Gate
Strato isolante
aggiuntivo
Wafer
Diossido di silicio
Silicio drogato
Polisilicio
Creazione dei contatti
Tungsteno
Strato isolante
aggiuntivo
Wafer
Diossido di silicio
Silicio drogato
Polisilicio
Aggiunta del metallo
Rame
Source
Drain
Canale
Flusso di elettroni
Completamento del transistor
ultimi anni questa drastica riduzione dei formati ha portato alla
costruzione di transistor dalle dimensioni di qualche centinaio di
atomi, con la conseguente comparsa di effetti che non era possibile immaginare anche solo qualche decennio fa.
Gli ultimi processi produttivi di Intel possono dare un’idea di questa
riduzione delle dimensioni, e aiutano a capire contro quale muro
tecnologico ci si trovi attualmente.
Nel processo a 130 nm del 2001 la
distanza tra il source e il srain, anche detta larghezza di canale, era
di 70 nanometri, mentre lo spessore del dielettrico isolante del gate
di 1,5 nm. Nel 2003, con il passaggio a 90 nm la larghezza di canale
si è ridotta a 50 nm, ed il dielettrico a 1,2 nm. Due anni dopo, con i
65 nm le misure del transistor si
sono ridotte a 35 nm e 1,2 nm.
Da notare come la distanza tra il
source e il drain riesca ancora a
scalare insieme al processo produttivo, mentre le dimensioni del
dielettrico non riescono a diminuire oltre una certa soglia. Per la prima volta infatti insieme a una
nuova tecnologia di produzione
non è stata diminuita l’ampiezza
del dielettrico sul gate, uno dei valori più importanti nel determinare le prestazioni di un transistor.
Per spiegare i motivi che hanno
portato a questo occorre però una
breve descrizione introduttiva del
funzionamento di un normale
transistor. Alla base di tutto c’è il
segnale di accensione applicato al
gate, differente in base alla tecnologia P o Nmos come descritto prima; quando la condizione di accensione viene applicata, nel canale si viene a creare un piccolo
terconnessioni attraverso delle micro piste in rame, un ottimo conduttore elettrico.
Le prime celle memoria Sram a 45 nm:
oltre 1 miliardo di transistor su 119 mm2.
campo elettrico che ne modifica le
proprietà di conduzione permettendo il passaggio della corrente
elettrica tra il source e il drain. Più
è sottile lo strato isolante sul gate
e meno intensa dovrà essere la
tensione applicata per formare (o
inibire) un campo elettrico adeguato, con ovvi risparmi dal punto
di vista energetico.
Una minore tensione di soglia permette anche un notevole aumento
prestazionale, riducendo il tempo
richiesto dal transistor per la commutazione tra i due stati possibili.
La dimensione di questo isolante
dielettrico non potrà però essere
ridotta troppo, oltre un certo limite
inizierà a scorrere una corrente tra
il gate e i due contatti inferiori, ge-
Prima di applicare
alle Cpu il processo
produttivo
a 45 nm, Intel
lo ha affinato con
la realizzazione
di celle di memoria
Sram su wafer
da 300 mm.
Tutto il procedimento avviene in
p a r a l l e l o su un wafer di 30 cm di
diametro, utilizzando maschere
estremamente complesse che riproducono sullo stesso varie centinaia
di processori e di conseguenza svariati miliardi di transistor.
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CPU
nerata dalla tensione applicata all’elettrodo superiore.
Questo fenomeno prende il nome
di current leakage ed è presente
da molti anni in tutti i circuiti basati sui transistor di tipo Cmos.
Verso la fine degli anni novanta
questa corrente parassita non veniva considerata un problema, la
sua intensità era infatti di molte
volte inferiore a quella delle altre
correnti presenti nel circuito.
Negli anni, con la progressiva ri duzione dello strato dielettrico, tale corrente ha iniziato a pesare
sempre di più sul precario bilancio
energetico dei processori, sempre
più bisognosi di energia elettrica a
causa del numero sempre maggiore di transistor utilizzati. Il punto di
svolta si ebbe nel 2003, con il passaggio da parte di Intel dalla tecnologia di produzione a 130 nm a
quella a 90 nm; lo spessore dello
strato dielettrico venne portato da
1,5 nm a 1,2 nm causando un incremento tangibile delle perdite
dovute alla corrente parassita. La
generazione di processori basati
su quel processo produttivo viene
infatti ricordata come una tra le
più esigenti in termini di richieste
energetiche, in parte consumate
da questa corrente parassita con la
dielettrico, rimasto fermo a 1,2 nm.
Una riduzione delle dimensioni
del canale ha permesso di utilizzare un campo minore per attivare la
conduzione della corrente elettrica, limitando anche la poco desiderata corrente parassita. Il passaggio tecnologico al processo di
produzione a 45 nm imporrebbe
ora una riduzione ulteriore anche
dello spessore del dielettrico, soluzione non praticabile con i materiali utilizzati oggi.
Metal Gate
e dielettrico High-K
Ecco come appare al microscopio
uno dei nuovi transistor a 45 nm.
spiacevole conseguenza di una
temperatura di esercizio nettamente sopra alla media.
Con il successivo passaggio alla
tecnologia a 65 nm le cose sono
notevolmente migliorate, la riduzione delle dimensioni ha infatti
interessato solo la larghezza del
canale, ma non lo spessore del
Ridurre ulteriormente lo spessore
del dielettrico isolante ma senza
incrementare la corrente parassita:
la soluzione che Intel ha architettato per risolvere questo problema
si presenta come la più grande rivoluzione nella costruzione dei
transistor avvenuta negli ultimi
quarant’anni. Il processo produttivo a 45 nanometri che Intel si
appresta a introdurre nei prossimi mesi è infatti frutto di due innovazioni, senza di cui non sarebbe stato possibile produrre
transistor così piccoli in grado di
funzionare.
Le due innovative tecniche utilizzate prendono il nome di Metal
Euv (Extreme Uv Litography)
L
a fotolitografia attuale utilizza una luce ultravioletta
con lunghezza d’onda di 193 nm, evolvendosi in maniera parallela con la diminuzione della dimensione dei
transistor. Alla fine degli anni novanta la lunghezza d’onda era inferiore alle dimensioni minime presenti in un
transistor e il processo fotolitografico poteva avvenire senza particolari problemi.
Negli ultimi anni però la riduzione di questa lunghezza
d’onda non ha potuto mantenere il passo con quella delle
dimensioni dei transistor, dovendo ricorrere ad altre tecniche per impressionare componenti così piccole. Oggi si
riesce a costruire transistor a 45 nm con una luce a 193 nm
solamente utilizzando accorgimenti particolari, come l’aggiunta di lenti molto sofisticate in grado di concentrare la
lunghezza d’onda o l’immersione del wafer in un fluido
capace di concentrare a sua volta la luce ultravioletta.
Questa tecnica dovrebbe essere sufficiente fino al processo di produzione a 32 nm, previsto per il 2009, ma non si
76
crede possibile un suo utilizzo oltre questa nuova barriera
tecnologica. Per continuare a rispettare la legge di Moore
serve però ben altro, la riduzione delle dimensioni dei
transistor è troppo rapida per la tecnologia fotolitografica
attuale.La nuova frontiera prende il nome di Extreme UltraViolet Litography (Euv) e si basa sulla produzione di
luce a frequenze al limite della zona ultravioletta, a ridosso dei raggi X. Lo sviluppo della nuova tecnologia è affidato al consorzio Euv LLC che, guidato da Intel, annovera
tra i suoi membri anche AMD, IBM, Infineon, Micron Tecnology e Motorola.
La luce utilizzata in questo processo viene prodotta direttamente dal gas xeno, che riscaldato ad alte temperature
è in grado di emettere costantemente e con una coerenza
molto elevata (la coerenza è la proprietà della luce emessa da una sorgente di rimanere uguale alla precedente
per un certo tempo). La luce così prodotto viene riflessa da
PC Professionale - luglio/agosto 2007
Il Metal Gate consiste nella mo d i f i c a s o s t a n z i a l e del materiale
con il quale viene costruito il gate
del transistor; fino a oggi interamente costituito da silicio policristallino altamente drogato, dotato di una buona conducibilità
elettrica. L’utilizzo del solo silicio
drogato era dovuto al processo di
produzione, che per semplicità
impiegava solamente questo elemento senza aggiungerne di nuovi, cercando di mantenere un costo di produzione il più ridotto
possibile. Grazie a nuove fabbriche progettate appositamente
per impiegare un processo di
produzione differente sarà possibile utilizzare anche altri elementi e materiali nella produzione
microscopica, attraverso i processi litografici.
L’utilizzo di un gate basato su di
un metallo (differente per transistor N o Pmos) permette di ottenere un significativo aumento
dell’effetto di campo a parità di
tensione utilizzata, necessario ad
attivare il transistor. Questo permetterà di utilizzare tensioni inferiori e contemporaneamente di
ottenere effetti maggiori, con
“
“
Gate e High-K Dielectric.
Sul punto che trovate
alla fine di questa frase
potreste allineare 10.000
transistor realizzati con
processo a 45 nm.
grandi vantaggi sia nella velocità
di commutazione sia nel consumo energetico.
La seconda grande innovazione
consiste nell’eliminare anche
dalla parte isolante del gate il silicio, sostituendolo con un altro
materiale chiamato High-K. La
lettera K solitamente indica in ingegneria la capacità di un materiale di trattenere la carica elettrica al proprio interno, come farebbe una spugna con dell’acqua, e viene chiamata capacitanza. Il materiale utilizzato è basato
sull’elemento chimico Afnio, ed è
caratterizzato da ottime doti isolanti e da una elevatissima costante K, da cui prende il nome la
tecnologia High-K. La buona capacità isolante riduce i problemi
dovuti alle correnti parassite, e
grazie all’ottima capacità di trat-
tenere la carica elettrica permette un notevole aumento dell’effetto di campo a parità di tensione utilizzata.
I problemi riscontrati nei transi s t o r t r a d i z i o n a l i sono quindi di
molto ridimensionati con l’utilizzo di queste due tecnologie; e
permetteranno a Intel di iniziare
a breve la produzione di transistor con il nuovo processo a 45
nm, con enormi benefici sia in
termini prestazionali sia di dissipazione energetica. A confronto
con il già ottimo processo a 65 nm
i dati sono notevoli, le dimensioni
effettive tridimensionali sono dimezzate; quindi processori delle
stesse dimensioni possono contenere fino al doppio dei transistor.
A parità di consumi e spazio occupato la nuova generazione of-
Gas xeno eccitato
Specchio
numerosi piccoli specchi e può raggiungere la lunghezza d’onda di soli 13 nm, solo di poco superiore al
limite definito tra i raggi ultravioletti e i raggi X, posto
a 10 nm.
Una luce caratterizzata da una lunghezza d’onda così
piccola permetterà dunque di continuare a utilizzare
il processo fotolitografico anche nelle prossime generazioni di transistor, e dovrebbe venire impiegata per
la prima volta dopo il 2010 con il passaggio dai 32 nm
allo step successivo, i 22 nm. •
Luce con lunghezza
d’onda a 13 nanometri
Substrato di silicio
Circuiti a 22 nanometri
TECNOLOGIA OTTICA
Fascio di luce laser
Lente
Nel processo Euv il gas xeno eccitato si riflette
su una serie di specchi per generare un fascio di luce
con lunghezza d’onda molto più piccola di quella che
può essere ottenuta con le attuali tecnologie ottiche che
operano con un fascio laser e lenti.
luce con lunghezza d’onda a 193 nm
Substrato di silicio
Circuiti a 65 nanometri
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CPU
Roadmap delle future Cpu e microarchitetture Intel
2006
2007
2008+
Server / Workstation
Intel Itanium
Montecito
Montvale
Tukwila
Intel Xeon - MP
Intel Xeon 7300
Dunnington
Penryn
Intel Xeon - UP / DP
Intel Xeon (QC)
45nm QC
Intel Xeon (DC)
45nm DC
Client
Intel Core 2 - Desktop
Intel Core 2 Quad
45nm QC
Intel Core 2 Duo
Intel Core 2 - Mobile
45nm DC
Intel Core 2 Duo
45nm DC
65 nm Intel Core Arch.
45 nm Enhanced Intel Core Arch.
frirà prestazioni probabilmente
superiori integrando inoltre nuove caratteristiche tecniche, più
cache e il supporto a un set di
istruzioni più complesso, grazie
proprio al maggior numero di
transistor.
La potenza necessaria alla com mutazione di un transistor a 45 nm
è inferiore del 30% rispetto alle
versioni attuali a 65 nm e il passaggio on/off ha una velocità superiore del 20%. Il risultato più importante ottenuto da Intel è però la
drastica riduzione delle correnti
parassite grazie all’introduzione
del Metal Gate e del dielettrico
High-K. Il migliorato effetto di
campo permette una riduzione di
cinque volte della corrente parassita che può fluire costantemente
tra source e drain anche a dispositivo spento, contribuendo al risparmio energetico complessivo in
maniera considerevole. La corrente parassita che attraversa il gate
viene ridotta grazie alla minore
tensione operativa e al miglioramento del materiale dielettrico, risultando di ben dieci volte inferiore rispetto ai transistor attuali.
Nehalem
45 nm Nehalem Arch.
Conclusioni
Nei prossimi mesi saranno dunque molte le novità nel settore
dei microprocessori, sia da parte
Intel sia AMD. Alle porte è il lancio della nuova architettura AMD
basata su tecnologia a 65 nm, che
promette di raggiungere e superare le prestazioni dei processori
Core 2 Duo.
Intel d’altronde vuole cercare di
mantenere la superiorità prestazionale attuale con il lancio del
nuovo processo produttivo a 45
nm in abbinamento ai processori
con core Penryn.
È inevitabile chiedersi se e quando AMD avrà la possibilità di utilizzare un processo produttivo
avanzato quanto il nuovo 45 nm
di Intel. In realtà anche la casa di
Sunnyvale sta pianificando il
passaggio a questo nuovo processo, ma è sicuramente in ritardo di qualche mese rispetto al
concorrente diretto.
Intel continua invece con la pro p r i a e v o l u z i o n e rispettando alla
perfezione la scaletta pianificata,
anticipando anche in qualche ca-
78
PC Professionale - luglio/agosto 2007
so il lancio dei propri prodotti,
cercando di guadagnare quanto
più terreno possibile sul diretto
concorrente.
Dopo la presentazione di Penryn
nella seconda metà dell’anno tutti gli sforzi si concentreranno sulla prossima generazione di processori Intel e basati su di una architettura completamente nuova
(nome in codice Nehalem). La filosofia di Intel è dunque profondamente cambiata negli ultimi
anni, se all’inizio del millennio le
mosse dell’azienda di Santa Clara erano lente e prevedibili, con
la costante ricerca dell’aumento
della sola frequenza operativa;
oggi, con la promessa di una nuova architettura completa ogni
due anni, le cose sono nettamente diverse.
È quindi possibile che nei prossimi due o tre anni ci attendano più
novità ed evoluzioni tecnologiche
che nei sette trascorsi dall’inizio
del secolo, grazie all’introduzione
di nuovi processori dotati di caratteristiche e funzionalità completamente nuove. Non resta che
attendere.
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