Ivy Bridge – 22 nm a 3D tranzistory už za půl roku v obchodech | Kapitola 2
Seznam kapitol
Za šest měsíců dorazí na trh nástupce dnešních procesorů Sandy Bridge. Nepůjde ale o běžný refresh, jak jsem zvyklí, ale o mnohem větší krok kupředu. Významný mezník. Architektura Ivy Bridge totiž nepřinese pouze 22nm výrobní proces, ale především 3D tranzistory. Co vše můžeme od čtvrté generace architektury Core čekat?
Předem upozorňuji, že popis v této kapitole bude v populární formě, tedy zjednodušené, aby byla pochopitelná všem. Omlouvám se tedy za použití i netechnických výrazů a všem, kterým bude výklad připadat až moc zjednodušený. Nejprve je nutné vysvětlit základní pojmy, s nimiž se v této kapitole setkáme.
Moorův zákon – původní znění zákona nebylo konkrétní, časem se ale ustálilo přibližně v této podobě: každých osmnáct měsíců se zdvojnásobí počet tranzistorů v čipu při zachování stejné výrobní ceny. Tento odhad dlouhodobých trendů nám říká, že každé +/- dva roky přijde na trh výrobní technologie, jež umožní při stejných nákladech umístit na čip dvakrát tolik tranzistorů. Až do tohoto roku se víceméně dařilo tuto předpověď naplnit s úspěchem. Při přechodu z 32nm na 22nm klasickou technologií High-k (Metal Gate) byl ale Intel neúspěšný. Nežádoucí vlivy u zmenšeného tranzistoru dosáhly hodnoty, které byly neakceptovatelné i vzhledem k ceně.
Tranzistor – základní prvek naprosto každého elektronického zařízení / obvodu, zkrátka jde o základní kámen všech polovodičů a logických obvodů. Na obrázku je znázorněn zeleně a jeho princip je v podstatě jednoduchý, jde o spínač se dvěma stavy otevřeno a zavřeno. Pokud na řídící elektrodu (ta nahoře) přivedeme napětí, tranzistor se uzavře a z elektrody A do elektrody B protéká proud, v opačném případě je tranzistor zavřený a proud zadržuje. Tato dvojice stavů se často uvádí jako 0 a 1. Už z principu věci je jasné, že ideálním stavem bude situace, kdy v otevřeném stavu bude protékající proud maximální, neomezený odporem (rezistivitou), a naopak v uzavřeném stavu neprojde skrz něj naprosto nic. Bohužel tohoto stavu nelze nikdy dosáhnout. Ke slovu se totiž dostávají nechtěné jevy.
První obrázek planárního (plochého, tedy ne 3D) tranzistoru ukazuje místa, která zvyšují odpor a omezují průtok proudu. Jak vidíte, protékající proud je „brzděn“ na mnoha místech, což tranzistor zahřívá a zvyšuje spotřebu jako takovou. Ztráty při přechodu nejsou zanedbatelné. Druhým problémem je kapacitance, která vzniká mezi částmi tranzistoru a opět má značný vliv jak na protékající, tak i na zadržovaný proud. Důležitým parametrem tranzistoru je také jeho výkon. Čím rychleji dokáže tranzistor přepínat mezi stavy 0 a 1, tím je výkonnější.
Současná technologie je problém
Hlavním požadavkem na tranzistory v novém výrobním procesoru je zmenšení tranzistoru. Zde ale výrobce narazil na problém popsaný výše, pouze zmenšený planární (plochý) tranzistor z dnešní výroby (Hi-k) by měl už tak špatné provozní vlastností, že by to nemělo smysl. Prakticky by zadržoval méně proudu než stávající a protékající proud by byl ještě významněji rušen negativními jevy. To by místo nové, výkonnější generace CPU přineslo opak, tedy špatnou výtěžnost, vyšší spotřebu a možná i špatný výkon. Vyrobit 22nm čip se současnými tranzistory tedy Intel smetl ze stolu jako stěží realizovatelnou myšlenku.
Výrobce se mohl vydat cestou zlepšení stávajícího procesu pomocí nových materiálů a snížení tloušťky substrátu, což by zřejmě mohlo přinést úspěch. Intel se ale vydal jinudy, použil zcela nový tranzistor TriGate. Podle vlastních výpočtů to vyjde levněji o 3 procenta na waffer vůči stávajícímu řešení, než vylepšovat současné (zmenšit šířku SOI), což by stálo minimálně o 10 procent víc.
Myšlenka tohoto tranzistoru není nová a už v roce 1989 vznikla jedna z jeho ranných verzí. Tvůrcem byl Japonec Hisamoto. Po dlouhých letech vývoje vniklo několik směrů, jimiž se tyto tranzistory vydaly (FinFET, TriGate, Pi-Gate, Omega-FET, GAA). Nejblíže se dnešním TriGate tranzistorům přiblížil v roce 2002 inženýr Cham a v roce 2006 Kvalieros, druhý jmenovaný je už hodně podobný řešení Intelu. Po deseti letech vývoje (letos v dubnu) Intel oznámil technologii TriGate připravenou pro výrobu, i když ta masová začne nejdříve v prosinci / lednu.
Jak vypadá TRiGate (3D) tranzistor
Než se podíváme na známou fotografii reálných tranzistorů, bude lepší se nejprve podívat na grafické, zjednodušené ztvárnění. Tím se vyhneme situaci, kdy si budete myslet, že vám ukazuji nějaké „hranolky a vafle“.
Nalevo je klasický planární tranzistor dnešní technologie. Elektrody tranzistoru jsou zde nazvány Gate, Source a Drain. Gate je řídící elektroda, jež řídí protékání proudu mezi Source a Drain. Pokud na Gate u plochého tranzistoru přijde řídící signál, otevírá se a zavírá se tenká vrstvička označená žlutou barvou (Gate oxide), kdy na ní řídící elektroda působí pouze z jedné strany – ze shora. V praxi ale dochází k průchodu nějakého proudu skrze substrát a okolí.
Nový typ tranzistoru (prostřední obrázek) pak elektrodu Source vytáhl nahoru a prochází skrze Gate. Jak vidíte i žlutá (inverzní) vrstva obklopuje Source ze tří stran - proto TriGate, Gate jsou v podstatě tři. Pokud bude tranzistor otevřený, bude proud protékat více než dvakrát větší plochou než u běžného tranzistoru, naopak v zavřeném stavu bude Gate působit a uzavírat Source ze tří stran, tedy důkladněji. Intel ale nakonec používá ještě vylepšený model z třetího obrázku. Elektrody Source jsou celkem tři, takže průchod proudu bude probíhat na sedmkrát větší ploše než dosud. Nyní tedy ke slíbené fotografii tranzistorů v reálu.
Nalevo je skupina klasických tranzistorů. Podklad tvoří substrát s elektrodami Source a Drain, „hranolky“ jsou Gate tranzistorů. Napravo je pak struktura TriGate tranzistorů. Podklad už je pouze substrát bez elektrod, ty jsou „vytažené“ nahoru. Gate jsou položeny stejně jako u levého obrázku, skrze ně ve skupině prochází šest Source / Drain elektrod. Pokud se v některých článcích setkáte s popisem a kvalifikací těchto tranzistorů jako FinFET, je to chyba. FinFET je podobný, ale zastaralý návrh, Gate zde obklopuje Source pouze ze dvou stran, horní třetí strana je blokována. Pokud je obrázek ve stejném měřítku, tak je i pouhým okem vidět, že tranzistory napravo jsou opravdu o kousek menší než ty současné.
Co přináší TriGate
V mnoha článcích jsem četl, že pomocí TriGate tranzistorů se Intel dostal na úroveň teoretické 14nm High-k technologie, což je v podstatě pravda. Pravděpodobně jak spotřebou, tak vlastnostmi předběhl Intel současnou výrobu minimálně o dva "nody". Podívejme se na obrázek se srovnáním vůči konkurenci.
Intel se stal naprostým lídrem v tomto odvětví a miliardy dolarů nalitých do vývoje se mu mnohonásobně vrátí. V GlobalFoundries teprve na přelomu roku začali s technologií High-k a 32nm. Jak ohromné problémy s výtěžností mají, je známé. Procesorů Llano je k dispozici málo a High-endový Bulldozer byl kvůli výtěžnosti odložen o řadu měsíců. Ani v nejbližších měsících se nečeká žádný obrat, situace se zlepší asi až v prvním kvartále příštího roku. Tím, že Intel ve stejné době nasadí TriGate tranzistory do masové výroby, poskočil proti AMD a jeho výrobním závodům kupředu o čtyři roky. I když budeme mnohem optimističtější, dříve než za dva nebo tři roky AMD tuto technologii implementovat nestihne. V tu dobu ale Intel nabídne 14nm technologii. Dokonce se prý nechal slyšet, že ani 10nm nebude s TriGate tranzistory problém, to ale ukáže až čas.
Co tedy přináší TriGate tranzistory do reálného světa a použití? Intel upozorňuje, že není možné čekat nijak zásadní navýšení frekvencí, což je celkem důležité a málokde to dosud zaznělo. Proto budou také Ivy Bridge (Core i7-4000) na podobných frekvencích jako jejich současní předchůdci. Tyto frekvence budou ale dosaženy s nižším základním napětím.
Samotné tranzistory přinášejí zlepšenou spínací charakteristiku (přepínání mezi zapnutým a vypnutým stavem). Významně vylepšen zapnutý a vypnutý stav, kdy nežádoucí úniky proudu budou v obou stavech menší než dnes. Také obecná spotřeba tranzistorů se sníží a umožní skrze ně pouštět větší proudy. Náklady na výrobu stoupnou jen v řádu několika procent.
Výrobce udává až 37 procent navýšení výkonu nebo 50procentní úsporu energie při současném výkonu. Obojí dosáhnout společně nelze a inženýři budou muset produkt vyladit mezi těmito dvěma extrémy. Buď budeme mít čip se stejným výkonem jako dnes s o desítky procent nižší spotřebou (tohle bude zřejmě realita Ivy Bridge) a nebo budeme procesor s mnohem vyšším výkonem a stejnou spotřebou jako dnes. Oba scénáře jsou možné a najdou uplatnění v různých segmentech trhu. V desktopu uvítáme výkon a v noteboocích naopak nižší spotřebu. Osobně si myslím, že půjde o kompromis. Nárůst výkonu bude jen kosmetický, spotřeba klesne razantněji.
Co dál?
S TriGate tranzistory Intel zřejmě vystačí po následující čtyři roky. I když sice tvrdí, že tyto tranzistory jsou vhodné i pro 10nm výrobu, neviděl bych to tak jisté. Už nyní totiž pracuje na jejich nástupci, kde místo plošek (Fins) nahradí elektrody nano-vodiče (Wires). Podobný tranzistor byl vyvinut a funkční vyroben už v roce 2008. Princip je v podstatě stejný jako mají TriGate, každý průchozí kanál ale bude Gate obepínat zcela, kanálů bude navíc mnoho. Dle odhadu Intelu bude tato technologie nasazena už někdy v roce 2016. Kolem roku 2020 by nás pak mohly čekat grafen a hliníkové nanotrubice. To je ale ještě daleko a kdo ví, co se do té doby stane.
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
