Производство 65 нм микропроцессоров

Особенности процессоров с архитектурой Penryn

Инновации, реализованные  в архитектуре процессоров Penryn относительно предыдущих процессоров: увеличившееся количество транзисторов – более 410 млн. для двухъядерного дизайна (291 млн. транзисторов у 65 нм 2-ядерного Conroe) и более 820 млн. для четырёхъядерного Yorkfield, при уменьшившейся до 110 мм² площади кристалла (у Conroe - 143 мм²). Именно здесь просматривается сохранение закона Мура, согласно которому по-прежнему с периодичностью примерно раз в два года удваивается количество транзисторов, снижается удельная цена изготовления одного транзистора, увеличивается производительность.

Среди чипов также  присутствуют варианты с объёмом кэша L2 до 12 Мб, а в целом всё семейство отличается повышенной производительностью и расширенными возможностями управления режимами энергопотребления. По поводу энергопотребления 45 нм процессоров Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Core 2 Quad и Xeon с ядром Penryn известно, что в целом TDP соответствует около 35 Вт у чипов для ноутбуков, порядка 65 Вт у mainstream-чипов для настольных ПК, около 80 Вт - у 4-ядерных серверных процессоров и чипов для экстремальных геймеров, при увеличенной производительности.

High-k диэлектрики, металлические затворы  и другие нововведения 45 нм техпроцесса

Через год после показа первых 45 нм пластин с памятью SRAM, были показаны первые процессоры Penryn и появились дополнительные подробности об используемых материалах и технологиях. Прежде всего стоит отметить, что переход на новые, более прецизионные нормы техпроцесса влечёт за собой необходимость решения вопросов уменьшения токов утечек транзисторов, что напрямую влияет на энергопотребление и тепловыделение чипа в целом, и всё это на фоне увеличения производительности и усложнения архитектуры и топологии процессора.

При переходе к нормам 45 нм техпроцесса для создания затворов транзисторов с малыми токами утечек инженерам Intel пришлось использовать новый материал для диэлектрика - так называемый high-k диэлектрик, в сочетании с новым материалом электрода затвора транзистора из сочетания металлов. Дело в том, что диоксид кремния (SiO2, традиционно использовавшийся в качестве диэлектрика для создания затвора транзистора на протяжении сорока лет, просто-напросто исчерпал свои физические возможности. При разработке предыдущего 65 техпроцесса инженерам Intel удалось создать слой диэлектрика из диоксида кремния с легирующими углеродистыми присадками толщиной 1,2 нм – всего пять атомных слоёв!

Однако дальнейшее снижение толщины этого слоя приводит к  появлению эффекта прямого тунеллирования и резкому увеличению тока утечки через материал диэлектрика затвора – по сути, диоксида кремния перестаёт быть препятствием для свободного дрейфа электронов, которые в таких условиях проявляют свойства уже не только частиц, но и волны, и никакой возможности гарантированно управлять состоянием такого транзистора уже нет.

Решить эту критическую  проблему инженерам Intel помог подбор другого типа диэлектрика. Для этого  диоксид кремния был заменён  на тонкий слой материала на базе солей редкоземельного металла гафния с высоким показателем диэлектрической проницаемости k (high-k), в результате чего ток утечки удалось сократить более чем в десять раз по сравнению с традиционным диоксидом кремния.

Однако не всё оказалось  так гладко. Физика физикой, но химия  нового чудесного затвора из high-k диэлектрика оказалось не совместимой с традиционно применяемым для изготовления электрода затвора кремнием, и этот вопрос оказался для инженеров Intel вторым крепким орешком при переходе на 45 нм производство. Требовалось разработать новый металлический затвор, совместимый с новым диэлектриком. Годы ушли на то, чтобы не только найти подходящий материал для электродов затвора, но также на разработку технологий его использования для затворов разной проводимости - NMOS и PMOS.

Количество материалов и химических элементов, задействованных в производстве современных чипов, растёт просто гигантскими шагами, ещё недавно их можно было насчитать десяток-другой, а теперь - более половины Периодической таблицы Д. И. Менделеева!

Технологический 45 нм процесс Intel носит название P1266, при этом литография при производстве чипов Penryn используется та же, что и при работе с 65 нм техпроцессом. Несмотря на новый дизайн фоторезистов и новое поколение фотомасок, использование всё тех же 193 нм литографических инструментов позволило значительно сократить затраты при переходе на 45 нм нормы производства.

Этот 45 нм техпроцесс Intel подразумевает меньшие размеры  транзисторов при значительно более плотном размещении этих транзисторов на пластине – примерно в два раза более плотное, чем в случае предыдущего 65 нм поколения. Уменьшившиеся размеры транзисторов привели к уменьшению примерно на 30% тока, требующегося для их переключения, при этом более чем на 20% выросла скорость переключения транзисторов, более чем в пять раз уменьшились токи утечки в канале "сток – исток", и более чем в десять раз снизились токи утечки диэлектрика затвора. Некоторые специалисты называют внедрение high-k диэлектриков и металлических материалов при создании электрода затвора более сложной и эффективной задачей, чем переход на новый прецизионный техпроцесс.

45 нм техпроцесс Intel с  использованием 300 нм пластин внедрялся  в Хиллсборо, Орегон, на фабрике  D1D, на фабрике Fab 32 в Окотилло (Ocotillo), Аризона (начало массового производства  в 2007 году) и фабрики Fab 28 в Израиле  (начало массового производства в первом полугодии 2008).

Характеристики 65-нанометрового технологического процесса

В 65-нанометровом производстве применяется целый ряд передовых  технологий. Например, самые маленькие  в мире серийно изготавливаемые  КМОП-транзисторы с длиной затвора 35 нм, что приблизительно на 30% меньше, чем при производстве по 90-нанометровой технологии. Толщина оксидного слоя затвора уменьшена до 1,2 нм (менее пяти атомарных слоев) (рис.4 ), а расстояние между стоком и истоком составляет всего 220 нм. 

Рис. 4. Фотография транзистора, выполненного по 65-нанометровому технологическому процессу

В 65-нанометровом технологическом  процессе используется на один слой межсоединений  больше, чем в 90-нанометровом процессе (рис. 95). По оценкам Intel, применять в данном случае большее количество слоев межсоединений экономически невыгодно.  

Рис. 5. Восемь слоев кристалла процессора в 65-нанометровом технологическом процессе

Интересно отметить, что  толщина оксидного слоя затвора  в новом 65-нанометровом технологическом процессе осталась такой же, как и в 90-нанометровом процессе. Фактически это означает ее намеренное увеличение, поскольку она должна была бы уменьшиться в 0,7 раза. Увеличение толщины оксидного слой затвора сделано специально для борьбы с токами утечки (при этом уменьшается подзатворная емкость).

В результате использования  улучшенной технологии напряженного кремния  удалось оптимизировать рабочий  ток транзисторов. При фиксированном уровне тока утечки рабочий ток транзистора в 65-нанометровой технологии выше на 30%, тогда как прежде это улучшение составляло 10-20% в зависимости от типа транзистора и уровня тока утечек. В транзисторах, созданных по 65-нанометровой технологии, объем утечки уменьшен в четыре раза по сравнению с транзисторами на базе 90-нанометровой производственной технологии. В результате транзисторы на базе 65-нанометровой производственной технологии обеспечивают более высокую производительность без повышения утечки (большая утечка электрического тока приводит к выделению большого количества тепла).

Кроме того, корпорация Intel включила в микросхемы SRAM на базе 65-нанометровой производственной технологии так называемые транзисторы сна (sleep transistors), которые отключают подачу тока на большие блоки памяти SRAM, когда те не используются, что значительно снижает энергопотребление микросхемы. Эта функция особенно хорошо подходит для устройств с питанием от батареи, например для мобильных ПК.

Количество транзисторов сна в микросхеме памяти — это  менее 1% от суммарной площади всех ячеек памяти, а эффект от их использования — троекратное снижение тока утечки кристалла

45 нм  против 65 нм

Ядро Wolfdale существенно  меньше ядра Conroe, площадь кристалла  составляет всего 107 мм², в отличие  от 143 мм² у предшественника. Это означает, что 45-нм процессору Wolfdale с 6 Мбайт кэша требуется всего 74% от площади кристалла 65-нм Conroe с кэшем на 4 Мбайт. Хотя Intel указала тепловой пакет 65 Вт для всех трёх версий (от 2,66 до 3,16 ГГц), мы обнаружили, что реальное энергопотребление намного ниже максимального, указанного в тепловом пакете. По информации Intel, переход с 65 на 45 нм провести очень легко, при этом можно использовать две трети установленного парка машин и утилит.

При снижении размера  кристалла число транзисторов, напротив, увеличилось на 40%, с 291 млн. до 410 млн. В основном, такой прирост связан с увеличением размера кэша L2. По информации Intel, гафниевые транзисторы с High-k переключается на 20% быстрее и требуют для этого на 30% меньше энергии. Кроме некоторых изменений в ядре, включая быстрый делитель Radix 16, улучшенную поддержку виртуализации и 128-битный shuffle-блок, Intel добавила новый набор инструкций SSE4.

SSE расшифровывается как  "Streaming SIMD Extensions (потоковые расширения SIMD)", где SIMD обозначает "single instruction, multiple data (одна инструкция, много данных)". Новый набор содержит 47 инструкций, все из которых направлены на ускорение создания и обработки цифрового контента: фотографий, видео и аудио. Конечно, набор SSE4 должен поддерживаться приложениями, чтобы обеспечить прирост производительности, однако другие модификации, вместе с увеличенным кэшем L2, тоже влияют на производительность практически во всех наших тестах.

С выходом Penryn Intel добавила ещё одну функцию: состояние "Deep Power Down". Это ещё одно C-состояние, в которое может переходить процессор для экономии энергии. Если для экономии энергии кэш L2 обычно освобождается, то состояние "Deep Power Down" позволяет полностью обрезать питание к кэшу L2 и отдельным ядрам, когда оно не требуется. После возобновления работы ядра система восстанавливает последнее архитектурное состояние.

К сожалению, функция "Deep Power Down" активна только на мобильных процессорах Core 2 на ядре Penryn, а не на ядрах Wolfdale для настольных ПК. Однако этот подход не очень хорошо согласуется с вкладом Intel в усилия индустрии по снижению энергопотребления и числа выбрасываемых в атмосферу отходов. Но, поскольку переход в более глубокие C-состояния требует энергию сам по себе, "Deep Power Down" может и не иметь смысла в настольном окружении, где активно больше приложений и сервисов.

Наконец, Intel уже предложил технологию "Dynamic Acceleration Technology" (DAT) для 65- и 45-нм мобильных процессоров. Хотя в настольных процессорах E8000 эта технология не использовалась, она позволяла процессору работать с одним ядром на повышенной тактовой частоте, если второе ядро из-за бездействия находится в состоянии C3 или более глубоком состоянии сна. Преимущество от DAT получат однопоточные приложения, которые будут лучше работать на высоких тактовых частотах.

У процессоров Core 2 произошло  ещё одно небольшое изменение: частота  в режиме бездействия. Если минимальный  множитель Enhanced SpeedStep по-прежнему остался x6, то тактовая частота в режиме бездействия составляет уже не 1 600 МГц, как у процессоров с FSB1066, а 2 000 МГц (333 МГц x6). Так было с моделями Core 2 Duo E6x50, но, на самом деле, подобный подход вряд ли сильно повредит, поскольку ядро стало более эффективным по энергопотреблению.  Core 2 Duo E8200 работает на частоте 2,66 ГГц, E8400 - на 3,0 ГГц, а модель E8500 - на 3,16 ГГц. Если внимательно посмотрите на частоты, то можно увидеть, что Intel вновь ввела дробные множители, поскольку для частоты 3,16 ГГц на FSB 333 МГц требуется множитель x9,5. Все три модели поддерживают последние технологии Intel в области процессоров, включая поддержку 64-битных операционных систем (4 Гбайт памяти и больше требуют 64-битной ОС), бит XD, Enhanced SpeedStep и Virtualization Technology. Все процессоры построены на микроархитектуре Core 2 с кэшем L2 на 6 Мбайт.

Сегодня нет двуядерных процессоров Extreme Edition, зато есть четырёхъядерный QX9650 Core 2 Extreme. Intel давно предлагает модели Extreme Edition для энтузиастов, которые могут свободно их разгонять. Для этого процессоры Extreme Edition имеют разблокированный множитель, который позволяет увеличить частоту 3,16-ГГц процессора до 3,33, 3,5 или 3,66 ГГц, изменяя только множитель с x9,5 до x10, x10,5, x11 или даже ещё большего.

Линейка E8000 работает с  впечатляюще низкой температурой. Процессоры на несколько процентов смогли улучшить производительность в нашем тестовом пакете, причём система охлаждения на тестовых системах даже останавливалась, когда процессоры Wolfdale переходили в режим бездействия. Это означает, что в режиме бездействия тепловыделение Core 2 Wolfdale на 2,0 ГГц (вероятно, и в самом глубоком доступном C-состоянии сна) достаточно низкое, чтобы тепло отводилось радиатором без вентилятора. На максимальной штатной тактовой частоте 3,16 ГГц тоже были получены очень низкие температуры. По сравнению с 65-нм Core 2 Conroe, 45-нм ядро Core 2 Wolfdale работает на 6-8 градусов холоднее. Если бы был доступен C-режим "Deep Power Down", то процессор явно бы потреблял меньше энергии, чем чипсет. Конечно, средний пользователь вряд ли заметит от этого ощутимый эффект, поскольку на проценты прироста производительности обращают внимания больше. В любом случае, системы на Wolfdale лучше адаптированы к высоким уровням производительности, когда они требуются, но при этом температура оказывается меньше, а, значит, и компьютер работает тише.

Но что предлагают пользователям 45 нм процессоры Penryn, кроме  новых транзисторов? В первую очередь  — это возросшая на 50% кэш-память второго уровня. В младших моделях  ее объем составит 3 Мбайт, в двухъядерных чипах — 6 Мбайт, а в четырехъядерных — 12 Мбайт. Второе преимущество перехода на более тонкие производственные нормы — снижение тепловыделения, а также как следствие рост частотного потенциала. Итог — частота новых Core 2 Quad в будущем может достигнуть 3.4-3.6 ГГц, а системная шина — 1600 МГц.