Современные микропроцессоры. 
Центральный микропроцессор (CPU)

Современные микропроцессоры — это самые быстрые и умные микросхемы в мире. Они могут совершать до 4 млрд. операций в секунду и производятся с использованием множества различных технологий. С начала 90-х годов ХХ века, когда процессоры пошли в массовое использование, они пережили несколько ступеней развития. Апогеем развития микпроцессорных структур, использующих существующие технологии микропроцессоров 6-го поколения, считается 2002 год, когда стало доступным использование всех основных свойств кремния для получения больших частот при наименьших потерях при производстве и создании логических схем. Сейчас же эффективность новых процессоров несколько падает, несмотря на постоянный рост частоты работы кристаллов, поскольку кремниевые технологии близятся к пределу своих возможностей.

Все современные процессоры используют полевые транзисторы. Переход к новому техпроцессу позволяет создавать транзисторы с большей частотой переключения, меньшими токами утечки, меньших размеров. Снижение размеров позволяет одновременно уменьшить площадь кристалла, а значит и тепловыделение, а более тонкий затвор позволяет подавать меньшее напряжение для переключения, что также снижает энергопотребление и тепловыделение.

С точки зрения домашнего пользователя, далеко не все функциональные возможности процессоров реально востребованы. Так, для домашнего применения абсолютно излишней является технология виртуализации, поэтому заострять внимание на том, поддерживает ли ее установленный в вашем ПК процессор, смысла не имеет.

Технологии и рынок

Сейчас на рынке наблюдается интересная тенденция: с одной стороны, компании-производители стараются как можно быстрее внедрить новые техпроцессы и технологии в свои новинки, с другой же, наблюдается искусственное сдерживание роста частот процессоров. Во-первых, сказывается ощущение маркетологами неполной готовности рынка к очередной смене семейств процессоров, а фирмы еще не получили достаточно прибыли с объема продаж производящихся сейчас CPU — запас еще не иссяк. Достаточно заметно превалирование значимости цены готового изделия над всеми остальными интересами компаний. Во-вторых, значительное снижение темпов «гонки частот» связано с пониманием необходимости внедрения новых технологий, которые реально увеличивают производительность при минимальном объеме технологических затрат. Как уже было замечено, производители столкнулись с проблемами при переходе на новые техпроцессы. микропроцессор компьютерный программирование Технологическая норма 90 нм оказалась достаточно серьезным технологическим барьером для многих производителей чипов. Это подтверждает и компания TSMC, которая занимается производством чипов для многих гигантов рынка, таких как компании AMD, nVidia, ATI, VIA. Долгое время ей не удавалось наладить производство чипов по технологии 0,09 мкм, что привело к низкому выходу годных кристаллов. Это одна из причин, по которой AMD долгое время переносила выпуск своих процессоров с технологией SOI (Silicon-on-Insulator). Задержки связаны с тем, что именно на этой размерности элементов стали сильно проявляться всевозможные ранее не столь сильно ощутимые негативные факторы: токи утечки, большой разброс параметров и экспоненциальное повышении тепловыделения. Разберемся по порядку.

Как известно, существует два тока утечки: ток утечки затвора и подпороговая утечка. Первая вызвана самопроизвольным перемещением электронов между кремниевым субстратом канала и поликремневым затвором. Вторая — самопроизвольным перемещением электронов из истока транзистора в сток. Оба эти эффекта приводят к тому, что приходится поднимать напряжение питания для управления токами в транзисторе, а это негативно сказывается на тепловыделении. Так вот, уменьшая размеры транзистора, мы, прежде всего, уменьшаем его затвор и слой диоксида кремния (SiO2), который является естественным барьером между затвором и каналом. С одной стороны, это улучшает скоростные показатели транзистора (время переключения), но с другой — увеличивает утечку. То есть, получается своеобразный замкнутый круг. Так вот переход на 90 нм — это очередное уменьшение толщины слоя диоксида, и одновременно увеличение утечек. Борьба с утечками — это опять же, увеличение управляющих напряжений, и, соответственно, значительное повышение тепловыделения. Все это привело к задержке внедрения нового техпроцесса со стороны конкурентов рынка микропроцессоров — Intel и AMD.

Один из альтернативных выходов — это применение технологии SOI (кремний на изоляторе), которое недавно внедрила компания AMD в своих 64-разрядных процессорах. Впрочем, это стоило ей немало усилий и преодоление большого количества попутных трудностей. Зато сама технология предоставляет громадное количество преимуществ при сравнительно малом количестве недостатков. 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 — это 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 — это 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%, если оставить частоту той же, делая упор на энергосбережение, то там плюс может быть и большим — до 50%. Наконец, характеристики канала становятся более предсказуемыми, а сам транзистор — 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 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.

И наконец, третья причина, которая способствовала замедлению темпов роста частот — это низкая активность конкурентов на рынке. Можно сказать, каждый был занят своими делами. AMD занималась повсеместным внедрением 64-битных процессоров, для Intel это был период усовершенствования нового техпроцесса, отладки для увеличения выхода годных кристаллов.

Будущие технологии производства микропроцессоров.

Известно, что существующие КМОП-транзисторы имеют много ограничений и не позволят в ближайшем будущем поднимать частоты процессоров также безболезненно. В конце 2003 года на Токийской конференции специалисты Intel сделали очень важное заявление о разработке новых материалов для полупроводниковых транзисторов будущего.

Прежде всего, речь идет о новом диэлектрике затвора транзистора с высокой диэлектрической проницаемостью (так называемый «high-k» -материал), который будет применяться взамен используемого сегодня диоксида кремния (SiO2), а также о новых металлических сплавах, совместимых с новым диэлектриком затвора.

Решение, предложенное исследователями, снижает ток утечки в 100 раз, что позволяет вплотную подойти к внедрению производственного процесса с проектной нормой 45 нанометров. Оно рассматривается экспертами как маленькая революция в мире микроэлектронных технологий. Чтобы понять, о чем идет речь, взглянем сначала на обычный МОП-транзистор (Рисунок 1), на базе которого делаются сложнейшие CPU.

Рисунок 1 — МОП-транзистор В нем затвор из проводящего поликремния отделен от канала транзистора тончайшим (толщиной всего 1,2 нм или 5 атомов) слоем диоксида кремния (материала, десятилетиями используемого в качестве подзатворного диэлектрика).

Столь малая толщина диэлектрика необходима для получения не только малых габаритов транзистора в целом, но и для его высочайшего быстродействия (заряженные частицы передвигаются быстрее через затвор, в результате чего такой VT может переключаться до 10 миллиардов раз в секунду). Упрощенно — чем ближе затвор к каналу транзистора (то есть, чем тоньше диэлектрик), тем «большее влияние» в плане быстродействия он будет оказывать на электроны и дырки в канале транзистора.

Если мы боремся с утечками, то толщину диэлектрика нужно повысить хотя бы до 2−3 нм (см. рисунок выше). Чтобы при этом сохранить прежнюю крутизну транзистора (зависимость тока от напряжения) необходимо пропорционально увеличить диэлектрическую проницаемость материала диэлектрика. Если проницаемость объемного диоксида кремния равна 4 (или чуть меньше в сверхтонких слоях), то разумной величиной диэлектрической проницаемости нового «интеловского» диэлектрика можно считать величину в районе 10−12. Несмотря на то, что материалов с такой диэлектрической проницаемостью немало (конденсаторные керамики или монокристалл кремния), тут не менее важны факторы технологической совместимости материалов. Поэтому для нового high-k-материала был разработан свой высокоточный процесс нанесения, во время которого формируется один молекулярный слой этого материала за один цикл (Рисунок 2).

Рисунок 2 — Формирование одного молекулярного слоя за один цикл Исходя из рисунка 2 можно предположить, что новый материал — это тоже оксид. Причем монооксид, что означает применение материалов преимущественно второй группы, например, магния, цинка или даже меди.

Но диэлектриком дело не ограничилось. Потребовалось сменить и материал самого затвора — привычный поликристаллического кремния. Дело в том, что замена диоксида кремния на high-k-диэлектрик ведет к проблемам взаимодействия с поликристаллическим кремнием (ширина запрещенной зоны транзистора определяет минимально возможные для его напряжения). Эти проблемы удается устранить, если использовать специальные металлы для затворов транзисторов обоих типов в сочетании с особым технологическим процессом. Благодаря этой комбинации материалов удается достичь рекордной производительности транзисторов и уникально низких токов утечки, в 100 раз меньших, чем при использовании нынешних материалов. В этом случае уже не возникает искушения использовать для борьбы с утечками значительно более дорогую технологию SOI, как это делают некоторые крупные производители микропроцессоров.

Отметим также еще одно технологическое новшество Intel — технологию напряженного (strained) кремния, которая впервые используется в 90-нанометровых процессорах Prescott и Dothan. Наконец-то, компания Intel в подробностях рассказала, каким именно образом происходит формирование слоев напряженного кремния в ее КМОП-структурах. КМОП-ячейка состоит из двух транзисторов — n-МОП и p-МОП. В первом канал транзистора проводит ток при помощи электронов, а во втором — при помощи дырок. Соответственно, и механизмы формирования напряженного кремния у этих двух случаев различны. Для n-MOS-транзистора используется внешнее покрытие слоем нитрида кремния, который за счет механических напряжений немного растягивает кристаллическую решетку кремния под затвором, в результате чего рабочий ток канала возрастает на 10%. В p-MOS-транзисторах все наоборот: в качестве материала подложки используется соединение кремния с германием, что немного сжимает кристаллическую решетку кремния под затвором в направлении канала. Поэтому дыркам становится «легче» «передвигаться» сквозь акцепторные атомы примеси, и рабочий ток канала возрастает на 25%. Сочетание же обеих технологий дает 20−30-процентное усиление тока. Таким образом, применение технологии «напряженного кремния» в обоих типах устройств приводит к значительному повышению производительности транзисторов при повышении себестоимости их производства всего лишь на ~2% и позволяет создавать более миниатюрные транзисторы следующих поколений. В планах Intel — использовать напряженный кремний для всех будущих техпроцессов вплоть до 22-нанометрового. Материал с низкой диэлектрической проницаемостью используется в качестве диэлектрика медных соединений во всех техпроцессах Intel, начиная с 0,13-микронного. Он уменьшает величину паразитной емкости, которая возникает между медными соединениями на кристалле, что повышает скорость передачи внутренних сигналов и уменьшает энергопотребление. Intel — первая и пока единственная компания, которая использует этот low-k-материал для изоляции межсоединений.