Производство CPU. Планы на 2003-2007-й год

Задачи индустрии CPU

Почему двигатели автомобилей потребляют литры бензина на сто километров, а не граммы, и почему вообще бензина, а не воды? Почему нет портативного установки холодного термояда в каждом доме? Почему, наконец, процессоры содержат всего-навсего миллионы транзисторов, работающих на частотах в единицы гигагерц? Просто потому, что большего техпроцесс на данный момент не позволяет. Технические возможности производителя, проще всего говоря.

Причем, не надо путать их с потенциально возможными техническими возможностями: при желании, тот же Intel уже сегодня мог бы производить 65 нм процессоры, только объем выпуска измерялся бы в единицах или десятках, и стоили бы они на порядки больших денег. Так что, поскольку мы живем в рынке, то можно сформулировать следующим образом: техпроцесс - это результат компромисса между теоретически возможным уровнем какой либо технологии, и ценой, устраивающей массового потребителя продукции, изготовленной с ее использованием.

Есть такой компромисс, разумеется, и в области центральных процессоров для PC, хотя его на данный момент трудно назвать полностью естественным: наблюдается некоторый дисбаланс в сторону превалирования производительности над ценой, во многом обусловленный успехом многомиллионных рекламных компаний производителей процессоров. Так, в последнее время Intel вкладывает в раскрутку каждого своего нового процессора (Pentium 4, Pentium-M) порядка 300 и более миллионов долларов.

Однако, есть планы по продажам, есть маркетинговый цикл, закон Мура, наконец, служащий своеобразным погонным механизмом для всей процессорной индустрии, причем, надо отметить, что закон этот, сформулированный, а главное, разрекламированный и возведенный с простого, не слишком точного в данный момент наблюдения, до уровня закона, самой компанией Intel, в основе своей на благо именно этой компании и работает, поскольку полезен он главным образом для того, кто обладает на данный момент времени наибольшим техническим и производственным потенциалом.

К тому же, относительная легкость, с которой до сих пор выполнялся этот закон, сослужила не самую добрую службу индустрии, поскольку инженеры работали в условиях, когда им не приходилось заботиться об эффективности функционирования отдельных модулей процессора - зачем, если можно просто выделить под каждый из них столько транзисторов, сколько заблагорассудится. Ну, или в какой-то мере так. По крайней мере, сегодня, когда стало очевидно, что в обозримом будущем закон Мура перестанет действовать, а ток утечки и тому подобные эффекты уже нельзя не замечать, вдруг начали говорить о необходимости более тщательно подходить к созданию архитектур процессоров. Это радует.

Естественно, когда речь заходит о техпроцессах, применяемых при создании центральных процессоров PC, в первую очередь необходимо вспомнить Intel. Компанию, обладающую на сегодняшний день самым мощным производственным потенциалом: 25 фабрик, из них как минимум десяток занимаются выпуском процессоров. И одним из самых технически совершенных на сегодняшний день техпроцессов. И об этом - поподробнее, но сначала разберемся с несколькими базовыми понятиями.

Начнем с пресловутого тока утечки, точнее - токов, поскольку их существует два вида. Первый - утечка тока затвора, вызываемый самопроизвольным перемещением электронов с отрицательно заряженного кремниевого субстрата канала в положительно заряженный поликремний затвора. Второй - самопроизвольное перемещение электронов с отрицательно заряженного истока к положительно заряженному стоку через кремниевый субстрат, находящийся под каналом транзистора, и им уже не контроллируемый. Этот эффект известен как подканальная утечка (очевидно), или утечка в выключенном состоянии (не менее очевидно, поскольку транзистор, находясь во включенном состоянии, продолжает "слегка работать"). Оба эффекта приводят к тому, что приходится поднимать как напряжение на затворе, так и, как следствие, рабочий ток, дабы компенсировать их, что, в свою очередь, самым негативным образом отражается на энергопотреблении и тепловыделении транзисторов.

Здесь пора вспомнить структуру транзистора, а именно - тонкий слой диоксида кремния, изолятора, находящегося между затвором и каналом, и выполняющего вполне понятную функцию - барьера для электронов, предотвращающего утечку тока затвора. Очевидно, что чем толще этот слой, тем лучше он выполняет свои изоляционные функции, но он является составной частью канала, и не менее очевидно, что если мы собираемся уменьшать длину канала (читай - размер транзистора), то нам надо уменьшать его толщину, причем, весьма быстрыми темпами. К слову говоря, за последние несколько десятилетий толщина этого слоя составляет в среднем порядка 1/45 от всей длины канала.

Так вот, уменьшать толщину этого слоя необходимо, чем производители процессоров и занимаются, несмотря на растущий при этом утечку тока затвора. Но у этого процесса есть свой конец - как утверждал пять лет назад все тот же Intel, при продолжении использования SiO2, как это было на протяжении последних 30 лет, минимальная толщина слоя будет составлять 2.3 нм, иначе ток утечка тока затвора приобретет просто нереальные величины.

Для снижения подканальной утечки до последнего времени ничего не предпринималось, сейчас ситуация начинает меняться, поскольку рабочий ток, наряду со временем срабатывания затвора, является одним из двух основных параметров, характеризующих скорость работы транзистора, а утечка в выключенном состоянии на нем непосредственно сказывается - для сохранения требуемой эффективности транзистора приходится, соответственно, поднимать рабочий ток, со всеми вытекающими условиями.

Одним из наиболее известных на сегодняшний день способов решения этой проблемы является SOI (silicon on insulator, кремний на изоляторе). Суть технологии, в общем-то, вполне логична - транзистор отделяется от кремневой подложки еще одним тонким слоем изолятора. Плюсов - масса. Никакого неконтролируемого движения электронов под каналом транзистора, сказывающегося на его электрических характеристиках - раз. После подачи отпирающего тока на затвор, время ионизации канала до рабочего состояния, до момента, пока по нему пойдет рабочий ток, сокращается, то есть, улучшается второй ключевой параметр производительности транзистора, время его включения/выключения - это два. Или же, при той же скорости, можно просто понизить отпирающий ток - три. Или найти какой-то компромисс между увеличением скорости работы и уменьшением напряжения. При сохранении того же отпирающего тока, увеличение производительности транзистора может составить вплоть до 30 процентов, если оставить частоту той же, делая упор на энергосбережение, то там плюс может быть и большим - до 50 процентов.

Наконец, характеристики канала становятся более предсказуемыми, а сам транзистор становится более устойчивым к спорадическим ошибкам, вроде тех, что вызывают космические частицы, попадая в субстрат канала, и непредвиденно ионизируя его. Теперь, попадая в подложку, расположенную под слоем изолятора, они никак не не сказываются на работе транзистора. Единственным минусом SOI является то, что приходится уменьшать глубину области эмиттер/коллектор, что прямо и непосредственно сказывается на увеличении ее сопротивления по мере сокращения толщины - курс физики средней школы. Впрочем, минусом можно считать и лишние примерно 10 процентов увеличения себестоимости, в которые обойдется это удовольствие.