65nm a 45nm: tecnologia di processo spiegato

Il più grande titolo sul Core 2 Extreme QX9650 è che è il primo processore desktop Intel ad utilizzare un processo di produzione a 45 nm. La precedente generazione di CPU desktop dell’azienda è stata prodotta utilizzando un processo a 65 nm. Ma perché questo cambiamento è così importante e cosa significa per il business del processore?

Die shrink another day

I progressi della produzione CMOS tracciano la storia delle CPU tanto quanto i disegni dei processori stessi. Ogni restringimento delle dimensioni dei transistor microscopici, che compongono la CPU, significa più può essere montato nello stesso spazio, con una serie di implicazioni.

Al livello più elementare, non si potevano nemmeno realizzare i progetti di processori di oggi con le tecnologie di processo di pochi anni fa – sarebbero irrimediabilmente massicce. Il 386 aveva solo 275.000 transistor. Intel Core 2 Extreme QX9650 ha circa 800 milioni-quasi 3.000 volte di più. Facendo uso del processo di produzione 1µm del 386, il QX9650 sarebbe circa un quadrato del piede!

Requisiti di alimentazione sono un altro problema. Transistor più piccoli consumano meno watt a ciclo, che ancora una volta significa che si può praticamente avere più di loro che con una tecnologia di processo più grande.

Se hai creato abbastanza transistor per un QX9650 con 386s, consumerebbero circa 3000W – eppure un intero PC Core 2 Extreme QX9650, inclusi altri componenti, richiede solo poco più di 200W a pieno carico.

Perché più piccolo è meglio

Basso consumo energetico ha un altro pratico effetto collaterale. Se i tuoi transistor disegnano meno watt, non diventeranno così caldi. Quindi puoi eseguirli a una frequenza più elevata senza bruciarli o sovraccaricare i circuiti di alimentazione della scheda madre da cui attingono.

Ci sono altri fattori da considerare, ma ogni nuova tecnologia di processo significa quasi sempre un tetto più alto sulle frequenze di clock.

L’ultimo, ma lontano dal minimo beneficio dei transistor più piccoli arriva quando si mantiene lo stesso design della CPU di base. In questo caso, il processore stesso diventa più piccolo, noto come “die shrink”. Poiché il sistema di fabbricazione utilizza un wafer a semiconduttore di dimensioni standard-attualmente 300mm è il più grande-è possibile montare di più su ciascuno di essi.

Il costo di produzione del wafer è lo stesso, quindi ogni processore diventa più economico da realizzare. Ad esempio, un processore a 45 nm occupa metà dell’area di uno a 65 nm con lo stesso design. Quindi passare a 45nm dimezza il costo di produzione, anche se devi anche calcolare il prezzo per sviluppare il nuovo processo e costruire la fabbrica in grado di eseguirlo. Questo può essere davvero molto costoso.

Il vantaggio di 45nm

Quindi sembrerebbe più piccolo è sempre meglio per i semiconduttori, facendoti chiedere perché tali miniaturizzazioni non si verificano più rapidamente. Tuttavia, ci sono sempre difficoltà che devono essere superate per consentire ogni riduzione delle dimensioni del transistor. Questi includono capacità parassite, dove parti del circuito integrato in miniatura mantengono la loro carica quando non dovrebbero, perdite di corrente e latchup.

Questi ultimi due sono stati un problema particolare con le recenti riduzioni di processo, poiché gli spazi tra i piccoli fili sono così piccoli che sta diventando sempre più difficile impedire la corrente che scorre dove non è destinato.

AMD e IBM hanno utilizzato la tecnologia Silicon on Insulator (SOI) per combattere questo e consentire le loro mosse fino a 65nm.

La sfida 45nm

Con il passaggio di Intel da 65nm a 45nm, tuttavia, l’azienda continua a utilizzare la vecchia tecnologia CMOS bulk, ma con l’aggiunta di dielettrici High-K e tecnologie metal gate.

Tradizionalmente, il biossido di silicio è stato utilizzato come dielettrico nei minuscoli transistor, ma è soggetto a perdite alle scale di produzione ora utilizzate. I materiali alternativi con un’alta costante dielettrica (High-K) impediscono questo.

Al contrario, le porte metalliche prendono le parti del processore destinate ad essere conduttive nella direzione opposta. In precedenza, il polisilicio meno conduttivo è stato utilizzato per i circuiti, perché rende più facile la produzione. Il metallo, al contrario, ha quasi zero resistenza elettrica.

Queste due tecnologie hanno permesso a Intel di assumere l’attuale leadership nella tecnologia di processo. Ciò gli conferisce un vantaggio competitivo sul consumo energetico, sulla velocità di clock del processore e sull’economia di produzione. Non è tutto su quanto bene si progetta l’architettura di chip nel settore dei processori.