Intel: první 3D tranzistory TriGate

Společnost Intel představila významný průlom ve vývoji tranzistoru: poprvé od vynálezu křemíkových tranzistorů před více než 50 lety budou nyní do výroby uvedeny tranzistory využívající trojrozměrnou strukturu. Revoluční 3D tranzistor Tri-Gate vstoupí do masové výroby ve své 22nm výrobní technologii v čipu, jenž je zatím kódově označován Ivy Bridge. Pro upřesnění: 1 nanometr představuje 1 miliardtinu metru. Trojrozměrné tranzistory Tri-Gate představují zásadní odklon od dvojrozměrných, plochých tranzistorů, které se uplatnily v dosavadních počítačích, mobilních telefonech a přístrojích spotřební elektroniky. Byla a jsou také součástí elektroniky v automobilech, kosmických lodích, domácích spotřebičích, lékařských zařízeních a tisícovkách dalších zařízení pro každodenní použití. „Naši výzkumní pracovníci znovu přinesli revoluci do světa tranzistorů, tentokrát vstupem do 3. rozměru,“ prohlásil Paul Otellini, prezident a generální ředitel společnosti Intel. „Na základě těchto tranzistorů vzniknou nová úchvatná zařízení a Mooreův zákon se posune do nových oblastí.“ Vědci již delší dobu poukazují na výhody trojrozměrné struktury k udržení tempa Mooreova zákona. Rozměry elektronických zařízení se natolik zmenšily, že se z nich staly bariéry bránící dalšímu pokroku. Klíčovým aspektem pro představenou novinku je schopnost Intelu využít nové trojrozměrné tranzistory v masové výrobě, což otevře dveře nové generaci inovací napříč širokým spektrem zařízení. Mooreův zákon je předpověď tempa vývoje počítačové technologie. Říká, že vývoj technologie se zrychlí zhruba každé dva roky, přičemž se bude zároveň zvyšovat funkčnost, výkon a budou se snižovat náklady. Mooreův zákon se stal základním modelem pro odvětví polovodičů po více než 40 let. OBROVSKE USPORY ENERGIE A VYŠŠI VYKON Díky trojrozměrným tranzistorům Tri-Gate budou procesory fungovat při nižším napětí s nižším únikem energie, takže oproti předchůdcům nabídnou bezkonkurenční kombinaci energetické účinnosti a výkonu. To poskytne zvláštní flexibilitu konstruktérům čipů, kteří si mohou vybírat tranzistory určené pro nízkou spotřebu, anebo naopak vysoký výkon – vše podle typu aplikace. Trojrozměrné 22nm 3D tranzistory garantují oproti plochým tranzistorům Intel 32nm nárůst výkonu o 37 % při nízkém napětí. Díky této úspoře jsou nové tranzistory ideální pro použití v malých úsporných kapesních zařízeních. Spotřebují méně než polovinu energie potřebné pro staré tranzistory na 32nm čipech. „Výkonnostní nárůst a úspora energie trojrozměrných tranzistorů Tri- Gate jsou něčím, co jsme v dějinách výpočetní techniky zatím neviděli,“ říká Mark Bohr, výzkumný pracovník společnosti Intel. „Rozdíl ve spotřebě energie je podstatně větší, než na jaký jsme zvyklí při vývoji od starší generace k nové. Výrobci díky tomu mohou vyrábět ještě inteligentnější přístroje a samozřejmě to umožní i vývoj zcela nových zařízení..“ JAK MALO (ANEBO MOC) JE 22 NANOMETRŮ? První tranzistor, který v roce 1947 vyrobila společnost Bell Labs, byl tak velký, že se skládal dohromady ručně. V případě revoluční novinky by se na špendlíkovou hlavičku vešlo přes 100 milionů 22nm tranzistorů Tri-Gate. Brány 22nm tranzistoru Tri-Gate jsou tak malé, že do šířky lidského vlasu se jich vejdou 4000. Kdyby se lidská obydlí zmenšovala jako tranzistory, nebyla by dnes viditelná bez mikroskopu. Pokud by měl být 22nm tranzistor vidět pouhým okem, pak by čip musel být větší než dům. Ve srovnání s prvním mikroprocesorem Intel, jímž byl model 4004 uvedený v roce 1971, běhá 22nm CPU 4000krát rychleji a každý tranzistor spotřebuje 5000krát méně energie. Cena tranzistoru klesla zhruba 50 000krát. Tento 22nm tranzistor se dokáže přepnout 100miliardkrát za sekundu. Pokud by chtěl čtenář TT tolikrát rozsvítit a zhasnout klasickou žárovku, trvalo by mu to 2000 let... Jedna věc je tranzistor Tri-Gate navrhnout, druhá - uvést ho do výroby. Továrny společnosti Intel vyrábějí přes 5 miliard tranzistorů každou sekundu. To je 150 000 000 000 000 000 tranzistorů ročně, neboli přes 20 milionů tranzistorů na každého muže, ženu a dítě žijící na naší planetě. POKRAČOVANI V TEMPU INOVACE Tranzistory jsou menší, levnější, energeticky úspornější a v souladu s Mooreovým zákonem. Ten byl pojmenován po spoluzakladateli společnosti Intel Gordonu Mooreovi. Umožňuje inovovat a inovace dál integrovat, obohacovat technologie o nové vlastnosti, rozšiřovat počet jader na čipech, zvyšovat výkon a snižovat výrobní náklady na tranzistor. Udržet vývoj Mooreova zákona je u 22nm generace složitější, než tomu bylo v minulosti. Trojrozměrné tranzistory Tri-Gate jsou opravdu revoluční. Tradiční ploché tranzistory byly nahrazeny supertenkou trojrozměrnou křemíkovou vrstvou, jež vertikálně vystupuje z křemíkového substrátu. Kontrola proudu je zajištěna bránou na každé ze tří stran zmíněné vrstvy: dvě brány po stranách a jedna nahoře. To vše namísto pouhé jedné brány nahoře, jako je tomu u dvojrozměrných tranzistorů. Dodatečný tranzistor umožňuje maximální tok proudu při požadovaném vysokém výkonu a naopak téměř nulový tok v případě, když se výkon neočekává. Díky tomu se podařilo výrazně snížit spotřebu a tranzistor dokáže velice rychle přecházet mezi oběma zmíněnými stavy. To opět vede k vyššímu výkonu. Podobně jako mrakodrapy umožňují architektům optimalizovat dostupné místo tím, že se staví směrem vzhůru, trojrozměrný tranzistor Tri- Gate nabízí konstruktérům počítačů způsob, jak řídit hustotu. Tranzistorové ploutve jsou vertikální, tudíž je lze umisťovat velice blízko sebe. V budoucích generacích budou konstruktéři moci zvyšovat výšku těchto ploutví a dosahovat ještě vyššího výkonu i energetické úspornosti. PRVNI PREZENTACE TRANZISTORŮ TRI-GATE Tranzistor Tri-Gate bude implementován v novém 22nm výrobním procesu, který označuje velikost tranzistoru. Jen pro ilustraci: do tečky na konci této věty by se vešlo přes 6 milionů tranzistorů Tri-Gate. Společnost Intel představila první 22nm mikroprocesor označovaný jako Ivy Bridge pro notebooky, stolní počítače a servery. Procesory Intel® Core™ budou prvními čipy, které budou využívat tranzistory 3D Tri-Gate. Procesory Ivy Bridge se začnou sériově vyrábět do konce roku 2011. Dosažený průlom rovněž umožní uvést na trh další produkty postavené na procesorech Intel® Atom™. Mimo jiné zvýší škálovatelnost výkonu, funkčnost i kompatibilitu. Uspokojí požadavky na výkon, náklady a velikost. JAK ŠEL VYVOJ? Od vynálezu tranzistoru v roce 1947 se tato technologie vyvíjela velice rychlým tempem a připravila cestu pro další levnější a energeticky efektivnější výrobky. Předchůdci Ti-Gater v poslední době byli tzv. napnutý křemík (strained silicon – 2003) a high-k/metal gate (2007). Nyní (poprvé v dějinách) vstoupují křemíkové tranzistory do III. rozměru. Tok proudu se bude kontrolovat na třech stranách kanálu (nahoře, vlevo a vpravo) a nikoli jen shora, jako je tomu v konvenčních plochých tranzistorech. Výsledkem je podstatně vyšší kontrola nad tranzistorem, maximalizace toku proudu (pro nejvyšší výkon) a naopak jeho minimalizace, když je tranzistor vypnutý. Klíčové milníky v dějinách tranzistoru: ? 16. prosince 1947 - William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain z Bell Labs úspěšně vyrobili první tranzistor. ? 1950 - William Shockley vyvinul první bipolární tranzistor, tedy zařízení dnes nejčastěji označované jako tranzistor. ? 18. října 1954 - na trh bylo uvedeno první tranzistorové rádio Regency TR1. Obsahovalo čtyři tranzistory z germania. ? 25. dubna 1961 - Robert Noyce získal první patent za integrovaný obvod. Původní tranzistory dostačovaly pro použití v rádiích a telefonech. Pro potřeby elektroniky bylo zapotřebí něčeho menšího – integrovaný obvod. ? 1965 - je definován Mooreův zákon, jenž předvídá, že počet tranzistorů na čipu se bude každý rok zdvojnásobovat. O 10 let později se perioda upravuje na dva roky. ? 1968 - Gordon Moore společně s Bobem Noycem zakládá společnost Intel. Název je zkratkou sousloví „integrovaná elektronika“. ? 1969 - Intel úspěšně vyvíjí první křemíkovou PMOS. Tyto tranzistory i nadále používají jako dielektrikum tradiční oxid křemičitý (SiO2). Zavádí se nové polykřemičité elektrody. ? 1971 - Intel představuje první mikroprocesor – 4004. Obsahoval 250 tranzistorů a byl vyráběn technologií 10 mikronů na 6 cm silných destičkách. ? 1985 - na trh byl uveden mikroprocesor Intel386™, jenž obsahoval 275 000 tranzistorů (100krát více, než měl původní 4004). Mikroprocesor byl 32bitový a zvládal multitasking, takže uměl provozovat více programů současně. Původně byl vyráběn za pomoci CMOS technologie 1,5 mikronu. ? 13. srpna 2002 - Intel představil několik technologických novinek v chystané 90nm technologii, včetně vysoce výkonných nízkoenergetických tranzistorů, technologii „strained silicon“, vysokorychlostní měděné spojení a nový dielektrický materiál low-k. Jde o první proces v odvětví, který implementuje „napnutý křemík“ do výroby. ? 29. ledna 2007 - Intel představuje revoluční materiály pro tranzistory: high-k a metal gate. Ty budou použity pro výrobu izolačních stěn a přepínacích bran na stovkách milionů mikroskopických tranzistorů (45nm) uvnitř nové generace procesorů Intel® Core ™2 Duo, Intel Core 2 Quad a Xeon® – pod kódovým označením Penryn. ? 3. května 2011 - Intel oznamuje, že uvedl do sériové výroby zcela nový tranzistor Tri-Gate. /fa/