Нм: все только начинается
Евгений Патий
"Экспресс Электроника"
В полном соответствии с графиком компания Intel объявила о достижении следующей ступени производственного процесса: теперь процессорный гигант имеет возможность выпускать продукты, изготовленные с применением нормы 45 нм. Этот техпроцесс отличается от своего предшественника, 65 нм, и заслуживает пристального внимания. Начнем с того, что основные тезисы 45-нм норм Intel опубликовала еще в ноябре 2003 года и тогда же указала срок внедрения - начало 2007-го.
Традиционно для отладки нового техпроцесса Intel задействует микросхемы памяти SRAM. Не отошла компания от своего правила и на этот раз. Более того, на руках у инженеров Intel уже имеется работающий процессор Penryn, изготовленный по новой технологии, на котором удалось успешно запустить все современные операционные системы, включая Windows Vista.
Для начала приведем некоторые факты, чтобы читатель смог сопоставить: 45 нм — это много или мало? Так, первый транзистор, созданный исследователями Bell Labs в 1947 году, помещался на ладони, в то время как новый 45-нм транзистор Intel в 400 раз меньше красной кровяной клетки человека. И если бы удалось в такой же степени, как транзисторы, уменьшить жилой дом, мы не смогли бы разглядеть его невооруженным глазом. Увидеть 45-нм транзистор можно только при помощи самого современного микроскопа. Такой транзистор, входящий в состав готовящегося к выпуску процессора нового поколения с кодовым названием Penryn, будет примерно в миллион раз дешевле, чем транзистор образца 1968 года. И если бы цены на автомобили упали пропорционально, сегодня новый автомобиль стоил бы около 1 цента. 45-нм транзистор способен включаться и выключаться примерно 300 млрд раз в секунду. За время, необходимое ему для включения или выключения, луч света проходит меньше 2,5 мм.
С выпуском новой нормы Intel в очередной раз подчеркнула справедливость закона Мура, который, по мнению компании, не потерял своей актуальности, хотя его и пытаются похоронить уже не первый год (честно говоря, теперь он выглядит скорее не как закон, а как своеобразная линия эволюции, которой стараются придерживаться).
Прежде чем начать предметный разговор о 45 нм и примененных в нем новшествах, нелишне освежить в памяти некоторые тезисы, имеющие отношение к актуальным сегодня технологическим нормам 65 нм по версии Intel.
Процесс 65 нм имеет кодовое обозначение P1264. Нельзя сказать, что его своевременное внедрение далось инженерам Intel легко — переход на новые технологические нормы сопровождала масса трудностей. Во-первых, требовалось использовать технологию «напряженного кремния» (strained silicon) второго поколения, во-вторых — новые диэлектрики low-k и медные межтранзисторные соединения. Кроме того, техпроцесс 65 нм разрабатывался с помощью существующего литографического оборудования, которое применялось и при внедрении предыдущего техпроцесса, 90 нм. А для перехода на более тонкий процесс изготовления полупроводниковых элементов пришлось прибегнуть к технологии фазового сдвига фотографических масок. На этом фоне два основных новшества, появившихся в технологии 45 нм, выглядят едва ли не революцией — речь идет не о простом «измельчении» линейных размеров, а о внедрении диэлектрика high-k и о применении металлического затвора. Что дает благодатную почву для рассуждений на тему, каковы выгоды от новшеств и не окажется ли столь глубокое вмешательство в конструкцию транзистора неоправданным? Новый техпроцесс имеет обозначение P1266 — соблюдается четкая последовательность в наименованиях, в соответствии с которой технологический процесс 32 нм (2009 год) будет назван P1268, а 22 нм (2011-й) — P1270. Таким образом, как минимум до 2011 года нам гарантируют справедливость закона Мура. По сравнению с нормой 65 нм 45-нм прибор обусловливает возможность разместить на одинаковой площади вдвое большее количество транзисторов — в силу естественного уменьшения линейных размеров. При этом имеется 30%-ное уменьшение рассеиваемой мощности при переключении с одновременным 20%-ным увеличением скорости переключения транзистора. Кроме того, в пять раз сокращается ток утечки от истока к стоку и в десять — ток утечки сквозь затвор транзистора. По заявлению специалистов Intel, таких показателей невозможно было бы достичь без комплексного применения изолятора high-k и металлического затвора. Пожалуй, оба нововведения выглядят как одно из крупнейших достижений Intel в микроэлектронике, начиная с конца 1960-х годов, ведь все это время конструировались МОП-транзисторы с поликремниевым затвором.
На данном этапе развития технологий преследуются две цели: уменьшение токов утечки, ставших бичом современной микроэлектроники, и уменьшение времени переключения, что означает повышение быстродействия полупроводникового прибора.
Кроме того, в официальных материалах Intel имеется утверждение, что еще ни одна компания-чипмейкер не приблизилась к аналогичному уровню развития технологий, и до внедрения техпроцесса 32 нм или даже позднее Intel не ожидает присутствия на рынке конкурентов, располагающих технологиями с применением high-k-диэлектриков и металлических затворов. В этой связи справедливо считать, что с промышленным вводом 45-нм техпроцесса компания приложит все усилия для получения максимальной прибыли от чипов, изготовленных на базе этой технологии — принцип «куй железо, пока горячо» проявит себя однозначно. Упомянутый чип памяти SRAM, выполненный по нормам 45 нм, был создан год назад — в январе 2006-го, и имел следующие характеристики: емкость 153 Мбит, площадь чипа 119 мм2, количество транзисторов свыше 1 млрд (что в принципе несложно подсчитать, ведь одна ячейка памяти формируется при помощи шести транзисторов).
В очередной раз фазосдвигающие маски выступают в роли спасительной соломинки для Intel. Также в свое время компания заявила, что этап внедрения оборудования с длиной волны 157 нм вообще пропускает и продолжает производственный процесс на 193-нм сканерах. А ко времени перевода производственных мощностей на технологические нормы 32 нм Intel все-таки рассчитывает перейти на установки сверхглубокого ультрафиолета для «рисования» микросхем (Extreme UltraViolet) с длиной волны всего 13 нм. Хотя это утверждение не является стопроцентной истиной, так как сама Intel не исключает вероятности внедрения промежуточных процессов. Одно можно сказать точно: сегодня фотолитографические установки с длиной волны 157 нм не выпускаются большими сериями и стоят очень дорого — несколько десятков миллионов долларов за установку, вот почему компания поступила достаточно разумно, воспользовавшись отлаженным фазосдвигающим «фокусом». Хотелось бы сказать несколько слов о процессоре Penryn, который представляет собой чип семейства Core и содержит 410 млн транзисторов в версии для двух ядер и 820 млн — в четырехъядерном варианте. Вывод продукта на рынок ожидается во II квартале 2007 года, причем будет доступен полный модельный ряд процессоров — для портативных, настольных компьютеров, рабочих станций и серверов. Можно не сомневаться и в наличии версии для энтузиастов. Penryn содержит дополнительный набор инструкций SSE4 для работы с потоковыми данными, а также имеет более высокую тактовую частоту и объемы кэш-памяти, чем у нынешних процессоров Core 2. В настоящее время компания заявляет о трех предприятиях, на которых будут производиться чипы с использованием 300-мм кремниевых пластин и техпроцесса 45 нм, — это традиционно авангардная фабрика D1D (Орегон, США), Fab32 в Аризоне (там же) и строящаяся Fab28 в Израиле. Два первых предприятия начнут отгрузку чипов во II квартале 2007 года, а Fab28 — в I квартале 2008-го. Несмотря на непростую политическую ситуацию на Ближнем Востоке, представители Intel настроены достаточно оптимистично и надеются, что никаких неожиданностей не произойдет и Fab28 будет пущена в строй согласно графику. Итак, сюрприз от Intel удался на славу.Хотя никто не сомневался, что и металлический затвор, и high-k-диэлектрик будут реализованы в новом техпроцессе. Лишь несколько настораживает самоуверенное утверждение о плачевном положении дел с новыми технологиями у чипмейкеров-конкурентов. Неужели нас ожидает полная пассивность в предстоящие два года, в течение которых Intel намерена снимать сливки с быстрых и не слишком греющихся процессоров, в то время как остальные будут косвенно бороться с токами утечки при помощи гигантских вентиляторов? На этот вопрос даст ответ ближайшее будущее, а пока — все только начинается.
