65nm till 45nm: processteknik explained

den största rubriken Om Core 2 Extreme QX9650 är att det är Intels första stationära processor som använder en 45nm-produktionsprocess. Företagets tidigare generation av stationära processorer producerades med en 65nm-process. Men varför är denna förändring så viktig, och vad betyder det för processorverksamheten?

Die krympa en annan dag

CMOS manufacturing advances spåra historia processorer så mycket som utformningen av processorerna själva. Varje krympning i storleken på de mikroskopiska transistorerna, som utgör CPU, betyder att mer kan monteras i samma utrymme, med ett antal konsekvenser.

på den mest grundläggande nivån kunde du inte ens göra dagens processordesigner med processtekniken för bara några år sedan-de skulle vara otänkbart massiva. 386 hade bara 275 000 transistorer. Intels Core 2 Extreme QX9650 har cirka 800 miljoner – nästan 3000 gånger så många. Med hjälp av 386: s produktionsprocess på 1 kg, skulle QX9650 vara ungefär en fot kvadrat!

strömkrav är en annan fråga. Mindre transistorer förbrukar färre watt att cykla, vilket igen innebär att du praktiskt taget kan ha fler av dem än med en större processteknik.

om du gjorde tillräckligt med transistorer för en QX9650 med 386s, skulle de konsumera runt 3000w – men en hel Core 2 Extreme QX9650 PC, inklusive andra komponenter, kräver bara lite över 200W under full belastning.

varför mindre är bättre

lägre strömförbrukning har en annan praktisk bieffekt. Om dina transistorer drar färre watt blir de inte så heta. Så du kan köra dem med högre frekvens utan att bränna ut dem – eller överbelasta moderkortets strömförsörjningskretsar som de drar från.

det finns andra faktorer att tänka på, men varje ny processteknik innebär nästan alltid ett högre tak på klockfrekvenser.

den sista, men långt ifrån minst nytta av mindre transistorer kommer när du håller den grundläggande CPU-designen densamma. I det här fallet blir processorn själv mindre – känd som en ‘die shrink’. Eftersom tillverkningssystemet använder en halvledarskiva av standardstorlek-för närvarande är 300 mm den största – kan du passa mer på var och en.

skivproduktionskostnaden i sig är densamma, så varje processor blir billigare att göra. Till exempel tar en 45nm-processor upp hälften av en 65nm med samma design. Så att flytta till 45 nm halverar tillverkningskostnaden – även om du också måste ta hänsyn till priset för att utveckla den nya processen och bygga fabriken som kan utföra den. Detta kan vara mycket dyrt faktiskt.

45nm-fördelen

så det verkar mindre är alltid bättre för halvledare, vilket gör att du undrar varför sådana miniatyriseringar inte sker snabbare. Det finns emellertid alltid svårigheter som måste övervinnas för att möjliggöra varje minskning av transistorstorleken. Dessa inkluderar parasitisk kapacitans, där delar av den integrerade miniatyrkretsen håller sin laddning när de inte borde, nuvarande läckage och latchup.

de senare två har varit ett särskilt problem med de senaste processminskningarna, eftersom luckorna mellan de små ledningarna är så små blir det allt svårare att förhindra att strömmen flyter där den inte är avsedd att.

AMD och IBM har använt Silicon on isolator (SOI) – teknik för att bekämpa detta och möjliggöra deras rörelser ner till 65 nm.

45nm challenge

med Intels switch från 65nm till 45nm fortsätter företaget dock att använda den äldre bulk CMOS-tekniken, men med tillägg av High-K dielektrikum och metallgrindteknik.

traditionellt har kiseldioxid använts som dielektrikum i de små transistorerna, men är benägen att läcka vid de tillverkningsskalor som nu används. Alternativa material med hög dielektrisk konstant (hög-K) förhindrar detta.

däremot tar metallportar de delar av processorn som är avsedda att vara ledande i motsatt riktning. Tidigare har mindre ledande polykisel använts för kretsar, eftersom det underlättar tillverkningen. Metall har däremot nästan noll elektrisk resistans.

dessa två tekniker har gjort det möjligt för Intel att ta den nuvarande ledningen inom processteknik. Detta ger det en konkurrensfördel på strömförbrukning, processorklockhastigheter och tillverkningsekonomi. Det handlar inte bara om hur bra du designar din chiparkitektur i processorbranschen.