نگاهی نزدیک به تکنولوژی ساخت پردازنده های ۴۵nm شرکت اینتل

مطابق Roadmap هایی که اینتل منتشر کرده در سال ۲۰۰۷ پردازنده‌های این شرکت به پروسه ساخت ۴۵ نانومتری کوچ خواهند کرد و مطابق معمول در برنامه‌های اینتل هیچ تاخیری مشاهده نمی‌شود. پردازنده‌های مبتنی بر این پروسه ساخت با نام رمز Penryn تا آخر سال ۲۰۰۷ برای هر سه بازار کامپیوتر‌های همراه، کامپیوترهای شخصی و کامپیوتر‌های سرور ، پردازنده‌هایی مبتنی بر Penryn موجود خواهد بود.
پروسه ساخت ۴۵ نانومتری ، موجب خواهد شد تا سطح هسته پردازنده کوچک تر شده و سرعت آن بیشتر شود ، علاوه بر این مصرف توان و توان اتلاف حرارتی آن نیز نسبت به پروسه ساخت ۶۵ نانومتری فعلی کاهش پیدا خواهد کرد. به بیان دیگر اگر یک هسته ۱۰۰ میلی‌متر مربعی پردازنده‌ای که با تکنولوژی ۶۵ نانومتری ساخته شده است با تکنولوژی ۴۵ نانومتری سطح آن تقریبا ۵۰ میلی متر مربع خواهد شد .
در گذشته ، اینتل با ارائه کردن تکنولوژی ساخت کوچک تر مجوعه از تکنولوژی‌های دیگر را علاوه بر آن همراه با معماری پردازنده‌های خود می‌کرد ، لذا نباید انتظار داشت که پردازنده های Penryn نیز مشابه Core ۲ Duo های فعلی باشد ، شاید حجم جافظه کاشه آن اضافه شود یا دستورالعمل‌های SSE‌ آن توسعه یابد، آنچه که مسلم است معماری Penryn همان معماری معروف اینتل موسم به Core است که در گذشته مفصلا آن را بررسی کردیم. بنابر این هسته این پردازنده‌ها ذاتا Dual Core است و با تکنولوژی‌های قرار دادن چند هسته در یک بسته‌بندی ، میتوان انتظار پردازنده‌های چهار یا هشت هسته‌ای را در خانواده Penryn داشت.
داستان تکنولوژی‌ساخت ۴۵ نانومتری اینتل به ذکر مشخصات پردازنده‌های مبتنی بر آن ختم نمی‌شود ، آنچه ما را علاقه‌مند به نوشتن این مقاله کرد پروسه جدید ساخت ترانزیستور‌های در این تکنولوژی بود که رفتار ترانزیستور‌ها را در آن مقیاس کوچک کاراتر و بسیار طبیعی تر می‌کند .
در مقیاس‌های نانومتری ، به هیچ وجه نباید از ترانزیستور ها رفتار طبیعی که در دروس الکترونیکی تدریس می‌شود انتظار داشت ، هنگامی که اندازه ترانزیستور به حدی کوچک می‌شود که با ۲۰۰ اتم سیکیلون ساخته برابری می‌کند ، رفتار آن به کاملا متفاوت و در برخی موارد خارج از کنترل خواهد شد. (اندازه اتم سیلیکون ۰.۲۴ نانومتر است) .
ترانزیستور‌ها در کاربرد دیجیتالی‌شان در داخل پردازنده‌ها در نقش یک کلید ظاهر می‌شوند که دو وضعیت خاموش یا روشن دارند که به ترتیب بیان‌گر منطق صفر و یک هستند . زمانی که ترانزیستور روشن است، جریان اندکی را از خود عبور می‌دهد (در حالت ایده‌آل از پایه سورس به پایه درین) و زمانی که خاموش است این جریان قطع خواهد شد. فراهم کردن سریع جریان کافی، هنگامی‌ که ترانزیستور روشن می‌شود و به حداقل رساندن جریان عبوری در هنگامی که ترانزیستور قطع است یکی از بزرگترین مشکلاتی است که در ساخت ترانزیستور‌های کوچک و کم‌مصرف وجود دارد.
پروسه‌ساخت ۴۵ نانومتری اینتل در دو بخش الکترود گیت و دی‌الکتریک گیت این ترانزیستور تغییرات اساسی داده است که در ادامه به بررسی آن خواهیم پرداخت.
در طراحی‌های متداول CMOS الکترود گیت ، از مواد پلی‌استر و عایق نیمه‌هادی موسوم به دی‌الکتریک نیز از دی‌اکسید سیلیکون ساخته می‌شود . این دی‌الکتریک وظیفه ایزوله کردن جریان کانال از جریان گیت را دارد.
جهت کوچک کردن ترانزیستور انتظار می‌رود که تمامی بخش‌های آن با هم کوچک شوند اما برخی از آنها، مانند لایه دی‌الکتریک گیت در صورتی که بیش از اندازه کوچک شوند ، رفتار غیر مقتضی از خود بروز می‌دهند.
در پروسه‌ساخت‌های ۹۰ نانومتری و ۶۵ نانومتری اینتل ، ضخامت لایه دی‌الکتریک گیت به ۱.۲ نانومتر کاهش یافت این اندازه تقریبا معادل با ۵ اتم است، مزیت نازک شدن لایه دی‌الکتریک این است که با بیشتر شدن تاثیر میدانی گیت ، می‌تواند به خوبی جریان کانال را کنترل کرده و جریان نشتی را کم کند.
اما لایه عایق نازک‌تر احتمال تونل‌زدن الکترون‌های گیت و ورود آنها به کانال را افزایش خواهد داد ، در این صورت زمانی که ما انتظار وجود جریان در کانال را نداریم ، الکترون‌های گیت با تونل زدن در عایق نازک میان گیت-کانال، در داخل کانال جریان نشتی ایجاد کرده و توان الکتریکی را هدر می‌دهند.
شاید این مقدار توان هدر رفته برای یک ترانزیستور زیاد به چشم نیاید اما برای ۴۱۰ میلیون ترانزیسوتری که قرار است در هسته Penryn مجتمع‌سازی شوند، توان الکتریکی قابل ملاحظه ای را هدر خواهد داد.
دی‌الکتریک ۱.۲ نانومتری در فن‌آوری ساخت‌های ۹۰ و ۶۵ نانومتری به جریان نشتی گیت زیادی را موجب نمی‌شد که اینتل را وادار به مقابله با آن کند اما در تکنولوژی ۴۵ نانومتری ، با نازک‌تر شدن لایه دی‌الکتریک اینتل باید تدبیری برای مرفع کردن این مشکل می‌اندیشید تا ضمن کوچک شدن ترانزیستو و لایه‌دی الکتریک آن جریان نشتی گیت افزایش پیدا نکند .
اینتل برای کاهش جریان نشتی گیت ، دی‌الکتریک SiO۲ میان گیت و کانال را که سالها‌ است در ترانزیستور‌های CMOS مورد استفاده قرار می‌گیرد با یک لایه عایلق دیگر که مقدار K (ضریب دی‌الکتریک) بیشتری دارد جایگزین کرده است، این دی‌الکتریک جدید بر پایه عنصر هافنیم (Hf) ساخته شده است.
بهره‌گیری از این ماده جدید به جای SiO۲ علاوه بر این که جریان نشتی گیت را کم‌تر کرده است، هدایت جریان کانال را نیز به لطف داشتن مقدار K بالاتر، بهتر کرده است. اینتل مشخص نکرده است که ضخامت این لایه عایق در طراحی جدید چه‌قدر است اما ما می‌دانیم که از عایق سیلیکونی ۱.۲ نانومتری به کار گرفته شده در پروسه ساخت‌های ۹۰ و ۶۵ نانومتری کوچک‌تر است
مشکل دومی که اینتل در طراحی ترانزیستور‌های ۴۵ نانومتری با آن برخورد کرد، به ماده پلی‌استری که الکترود گیت از آن ساخته می‌شود مربوط می‌گردد. الکترود گیت در کنتر جریان کانال نقش به سزایی دارد ، در طراحی‌های متداول، بخشی از ناحیه اتصال الکترود با دی‌الکتریک به دلیل به کار بردن ماده پلی‌استری به ناحیه تهی نیمه‌هادی تبدیل می‌شود ، در طراحی‌های ۴۵ نانومتری ، این ناحیه تهی در مقایسه با ضخامت الکترود اینقدر بزرگ خواهد شد که عملا گیت را در کنترل جریان کانال محدود می‌سازد.
در پروسه ساخت ۴۵ نانومتری اینتل جهت مرتفع کردن این مشکل ، الکترود پلی‌استری با یک الکترود فلزی جایگزین شده است، به این ترتیب دیگر در محل اتصال ناحیه تهی به وجود نخواهد آمد و گیت ترانزیستور می‌تواند به خوبی جریان کانال را کنترل کند .
اینتل سال‌ها بر روی ترانزیستور‌هایی با ضریب‌دی‌اکتریک بالا (High-K) و الکترود گیت فلزی (Metal Gate) تحقیق کرده تا بهترین مواد را برای ساخت آن پیدا کند، به همین خاطر از مشخص کردن دقیق این که چه ماده ای را در ترانزیستور‌های ۴۵ نانومتری خود موسوم به ترانزیستور‌های HK+MG به کاربرده امتناع می‌کند تا ماحاصل این تحقیقات را محفوظ داشته و تا زمانی که سایر رقبا به آن پی نبرده اند از ویژگی‌های منحصر به فرد آنها استفاده کنند.
اینتل انتظار دارد تا زمانی که پروسه ساخت تراشه‌هایش به ۳۲ نانومتر نرسیده، سایر کمپانی‌ها ترانزیستور HK+MG را در اختیار نداشته باشند، اما این در حالی است که در خبر‌ها گفته شده IBM با همکاری AMD تحقیقات خود را بر روی ترانزیستور‌های HK-MG را آغاز کرده اند.
ویژگی‌های ترانزیستور‌های HK+MG در پروسه ساخت ۴۵ نانومتری بسیار زیاد است، به گفته اینتل، انتقال پروسه ساخت از ۶۵ نانومتر به ۴۵ نانومتر به لطف به کار گیری ترانزیستور‌های HK+MG و کوچکتر شدن طول آنها ، توان الکتریکی لازم برای سوییچ کردن ترانزیستور ۳۰% کاهش یافته است، چرا که ترانزیستور کوچک‌تر دارای ظرفیت‌خازنی کمتر و در نتیجه نیاز به انرژی کمتری جهت تغییر حالت خود دارد.
همچنین اینتل ادعا می‌کند که سرعت سوییچینگ ترانزیستور‌های ۴۵ نانومتری ۲۰% بیشتر از ترانزیستور‌های ۶۵ نانومتری شده، و در سرعت برابر ، جریان نشتی سورس-درین ۵ برابر کاهش یافته است، همچنین به لطف بهره گیری از دی‌الکتریک قوی‌تر جریان نشتی گیت نیز ۱۰ برابر کاهش یافته است .
در نتیجه می‌توان انتظار داشت پردازنده‌های مبتنی بر پروسه ساخت ۴۵ نانومتری که در پایان سال جاری عرضه خواهند شد، پردازنده‌های کم‌مصرف تر و سریع‌تری نسبت به پیشینیان خود باشند
امروز اینتل اعلام کرده که اولین نسخه پردازنده‌های ساخته شده توسط ترانزیستور های HK+MG به خوبی در آزمایش‌ها خود را نشان داده است و چهار سیستم عامل Windows Vista ، Windows XP ، Linux و Mac OS X را بر اجرا کرده است
در نیمه دوم سال جاری میلادی خط تولید نخستین نسخه‌های Penryn بر روی ویفر‌های ۳۰۰ میلی‌متر مربعی در دو Fab اینتل آغاز به کار خواهد کرد، این دو Fab عبارتند از D۱D مستقر در oregon و Fab ۳۲ مستقر در Arizona در اواسط سال ۲۰۰۸ نیز Fab ۲۸ مستقر در اسرائیل، به جمع تولید کنندگان Penryn خواهد پیوست.

منبع : ارجا نت