Страница 6: Обзор: 22-нм техпроцесс
С процессором Ivy Bridge Intel представила 22-нм технологию производства кристаллов. Причём переход на новый техпроцесс сопровождался не только урезанием размера транзисторов, но и впервые стали использоваться транзисторы с тремя затворами. Благодаря переходу на подобные трёхмерные транзисторы можно снизить токи утечки, повысив эффективность энергопотребления процессора. 22-нм техпроцесс при переходе на Intel Haswell не изменился.
У Ivy Bridge использовались 1,4 млрд. транзисторов на площади кристалла 160 мм². По сравнению с Sandy Bridge, мы получаем на 400 млн. больше транзисторов (995 млн. на площади 216 мм²). У Haswell количество транзисторов не изменилось, по-прежнему 1,4 млн., но площадь кристалла немого увеличилась до 177 mm². Число транзисторов существенно влияет на энергопотребление, поскольку чем больше содержится переключающихся элементов (транзисторов), тем выше энергопотребление/тепловыделение. В целом, процессор Haswell не должен потреблять энергии больше, чем Ivy Bridge, поскольку используется прежний техпроцесс. Но благодаря технологиям энергосбережения, о которых мы уже рассказывали в разделе обсуждения архитектуры, в ситуациях с низкой нагрузкой мы должны получить серьёзную экономию энергии.
Intel уже несколько лет разрабатывает все области процессора таким образом, чтобы они могли выключаться в тех случаях, когда не используются (например, крупный кэш L3, области ядер или интегрированное графическое ядро). Добавим к этому стробирование DDR3 и GT. Для процессоров Ivy Bridge Intel также добавила поддержку памяти DDR3 с пониженным напряжением (DDR3L), а именно 1,35 В. Подобная память сможет сэкономить несколько ватт на уровне платформы.
22-нм транзисторы Intel с тройными затворами
Intel уже не раз подробно рассказывала о новом 22-нм техпроцессе. Но каждый раз мы узнаем кое-то новое. Современные планарные (или плоские) транзисторы создаются на основе дизайна, который был разработан ещё в 1974 году. Конечно, с тех пор были реализованы различные хитрости и оптимизации для уменьшения токов утечки и для оптимизации работы транзисторов с уменьшением размера структур - до 2000 года с этим не было особых проблем, но затем появился главный враг новых техпроцессов - токи утечки. Наши читатели наверняка помнят процессоры Northwood, Prescott и другие схожие CPU, у которых довольно остро стояли проблемы тепловыделения и нагрева.
В 2003 году Intel стала переходить на 90-нм техпроцесс с растянутым кремнием (Strained Silicon) для транзисторов NMOS и PMOS, который позволил улучшить ситуацию с током возбуждения. В случае 45-нм технологии Intel представила транзисторы High-k, новый диэлектрик (SiO2) и металлический затвор на основе гафния. Всё это позволило существенно улучшить производительность транзисторов без усугубления проблем с токами утечки.
С выходом 22-нм техпроцесса Intel пришлось изменять структуру самих транзисторов
В качестве примера Бохр (Bohr) показал на Intel Developer Forum 2011 график для 22-нм транзисторов с разными значениями токов возбуждения/токов утечек в зависимости от приложения. Если требуется быстрый процессор, то можно допустить значительные токи утечки, но для других сценариев может потребоваться высокая производительность с минимальными токами утечки. В итоге можно использовать подходящую технологию изготовления процессоров в зависимости от сферы применения готовых чипов (высокая производительность, стандартная производительность, минимальное энергопотребление).
Бохр также рассказал и об основных преимуществах 22-нм техпроцесса:
- Преимущество по токам утечки благодаря полностью выработанным затворам. С меньшим напряжением транзистор выключается быстрее, у него меньше утечки в выключенном состоянии.
- При оптимизации под высокую производительность можно достичь высокой скорости переключения транзисторов при токах утечки в выключенном состоянии, сравнимых с планарными транзисторами.
- В целом, транзисторы с тройными затворами дают на 37% более высокую скорость переключения при напряжении 0,7 В - или, наоборот, потребляют на 50% меньше энергии в активном состоянии.
- Если требуется высокая производительность, то разработчики кристаллов могут объединять несколько технологий, чтобы достичь более высокой скорости.
Структура транзисторов хорошо видна на иллюстрации: затвор "окружает" транзистор и лучше предотвращает токи утечки.
Intel использовала техпроцесс P1270 для 22-нм процессоров Ivy Bridge и Haswell. В 2013 году компания представила техпроцесс P1272 с 14-нм структурами. Для SoC используются техпроцессы P1271 и P1273, оптимизированные под низкое энергопотребление, на 2013 год запланирован 14-нм техпроцессу. Процессоры Intel Haswell выпускаются в общей сложности на пяти заводах, переведённых на 22-нм техпроцесс. В дополнение к заводам в Орегоне, задействуются мощности двух заводов в Аризоне. Также используется завод Intel в Израиле.
22-нм техпроцесс применяется Intel для производства классических процессоров (Core, Xeon, ...) а также для SoC (Atom, и т.д.). Intel оптимизирует существующие дизайны под новые процессоры с тройными затворами. Intel видит преимущество в объединении команд разработчиков и использовании подхода "Unified Design Approach", когда разные команды (SoC, CPU) работают вместе и реагируют на вызовы быстрее, что позволяет активнее завоёвывать новые рынки.
В галерее мы привели несколько слайдов, рассказывающих о 22-нм техпроцессе Intel:
