65nm bis 45nm: Prozesstechnik erklärt

Die größte Schlagzeile über den Core 2 Extreme QX9650 ist, dass es Intels erster Desktop-Prozessor ist, der einen 45-nm-Produktionsprozess verwendet. Die vorherige Generation der Desktop-CPUs des Unternehmens wurde im 65-nm-Verfahren hergestellt. Aber warum ist diese Änderung so wichtig und was bedeutet sie für das Prozessorgeschäft?

Die shrink another day

Fortschritte in der CMOS-Fertigung zeichnen die Geschichte der CPUs ebenso nach wie die Designs der Prozessoren selbst. Jede Verkleinerung der mikroskopischen Transistoren, aus denen die CPU besteht, bedeutet, dass mehr auf demselben Raum montiert werden können, mit einer Reihe von Auswirkungen.

Auf der grundlegendsten Ebene könnten Sie die heutigen Prozessordesigns nicht einmal mit den Prozesstechnologien von vor wenigen Jahren herstellen – sie wären unmöglich massiv. Die 386 hatte nur 275.000 Transistoren. Intels Core 2 Extreme QX9650 hat rund 800 Millionen – fast 3.000 mal so viele. Mit dem 1µm-Produktionsprozess des 386 wäre der QX9650 etwa ein Quadratfuß groß!

Der Strombedarf ist ein weiteres Problem. Kleinere Transistoren verbrauchen weniger Watt, was wiederum bedeutet, dass Sie praktisch mehr davon haben können als mit einer größeren Prozesstechnologie.

Wenn Sie genug Transistoren für einen QX9650 mit 386s aus, sie würden verbrauchen rund 3000W – noch ein ganzer Core 2 Extreme QX9650 PC, einschließlich anderer Komponenten, benötigt nur ein wenig mehr als 200W unter Volllast.

Warum kleiner besser ist

Ein geringerer Stromverbrauch hat einen weiteren praktischen Nebeneffekt. Wenn Ihre Transistoren weniger Watt verbrauchen, werden sie nicht so heiß. So können Sie sie mit einer höheren Frequenz betreiben, ohne sie auszubrennen – oder die Motherboard-Stromversorgungsschaltung zu überlasten, aus der sie stammen.

Es gibt andere Faktoren zu berücksichtigen, aber jede neue Prozesstechnologie bedeutet fast immer eine höhere Obergrenze für Taktfrequenzen.

Der letzte, aber bei weitem nicht der geringste Vorteil kleinerer Transistoren ist, wenn Sie das grundlegende CPU-Design beibehalten. In diesem Fall wird der Prozessor selbst kleiner – bekannt als ‘Die Shrink’. Da das Fertigungssystem einen Halbleiterwafer in Standardgröße verwendet – derzeit sind 300 mm der größte -, können Sie mehr auf jeden Wafer montieren.

Die Waferproduktionskosten selbst sind gleich, sodass jeder Prozessor billiger herzustellen ist. Zum Beispiel nimmt ein 45-nm-Prozessor die Hälfte der Fläche eines 65-nm-Prozessors mit demselben Design ein. Der Wechsel zu 45 nm halbiert also die Herstellungskosten – obwohl Sie auch den Preis für die Entwicklung des neuen Prozesses und den Bau der Fabrik, die ihn ausführen kann, berücksichtigen müssen. Dies kann in der Tat sehr teuer sein.

Die 45nm vorteil

So es scheint kleiner ist immer besser für halbleiter, machen sie sich fragen, warum solche miniaturisierungen nicht auftreten mehr schnell. Es gibt jedoch immer Schwierigkeiten, die überwunden werden müssen, um jede Reduzierung der Transistorgröße zu ermöglichen. Dazu gehören parasitäre Kapazitäten, bei denen Teile der integrierten Miniaturschaltung ihre Ladung behalten, wenn dies nicht der Fall sein sollte, Stromlecks und Latchups.

Die beiden letzteren waren ein besonderes Problem bei den jüngsten Prozessreduzierungen, da die Lücken zwischen den winzigen Drähten so klein sind, dass es immer schwieriger wird, den Stromfluss dort zu verhindern, wo er nicht fließen soll.

AMD und IBM haben die Silicon on Insulator (SOI) -Technologie eingesetzt, um dies zu bekämpfen und ihre Bewegungen auf 65 nm zu ermöglichen.

Die 45nm-Herausforderung

Mit Intels Wechsel von 65nm zu 45nm verwendet das Unternehmen jedoch weiterhin die ältere Bulk-CMOS-Technologie, jedoch mit zusätzlichen High-K-Dielektrika und Metal-Gate-Technologien.

Traditionell wurde Siliziumdioxid als Dielektrikum in den winzigen Transistoren verwendet, ist jedoch bei den heute verwendeten Fertigungsmaßstäben anfällig für Leckagen. Alternative Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante (High-K) verhindern dies.

Im Gegensatz dazu nehmen Metallgates die Teile des Prozessors, die leitfähig sein sollen, in die entgegengesetzte Richtung. Bisher wurde weniger leitfähiges Polysilizium für Schaltkreise verwendet, da es die Herstellung erleichtert. Metall hingegen hat einen elektrischen Widerstand von nahezu Null.

Diese beiden Technologien haben es Intel ermöglicht, die derzeitige Führung in der Prozesstechnologie zu übernehmen. Dies gibt ihm einen Wettbewerbsvorteil in Bezug auf Stromverbrauch, Prozessortaktraten und Fertigungsökonomie. Es geht nicht nur darum, wie gut Sie Ihre Chip-Architektur im Prozessorgeschäft entwerfen.