Сегодня компьютерный мир стоит на пороге революции: CPU с транзисторами нового поколения и мощные мобильные чипы на порядок увеличат производительность ноутбуков, планшетов и смартфонов.

Процессорные элементы размером 10 и 12 нм в наступающем году полностью изменят компьютерный мир: по толщине они в 10000 раз меньше человеческого волоса (100000 нм), а по диаметру приближаются к атомам кремния (0,3 нм).

В следующем году компания Intel начнет производство 22-нанометровых транзисторов (ранее использовался техпроцесс 32 нм) для своих новых чипов, а лицензированные ARM-процессоры будут состоять из транзисторов, изготовленных уже по стандарту 28, а не 40 нм. За этой разницей в 10 и 12 нм скрываются высокотехнологические инновации, которые способны удвоить производительность современных ПК, планшетов и смартфонов.

2011 Классический транзистор

Под электронным микроскопом легко рассмотреть металлические затворы классических транзисторов.

2012 Транзистор Tri-Gate

В транзисторах Tri-Gate, разработанных компанией Intel, канал выступает над кремниевой плоскостью, благодаря чему увеличивается контакт с затвором.

Чем меньше транзистор, тем выше скорость

Любой современный процессор состоит из транзисторов. До настоящего момента считалось, что чем они меньше, тем быстрее чип выполняет вычисления. Сегодня производители используют транзисторы шириной 32 нм. Однако чем они миниатюрнее, тем больше подвержены квантовомеханическому эффекту, который негативно сказывается на их работе. Таким образом, для того чтобы транзисторы размером 22 нм работали без сбоев, необходимо изменить их структуру. Современный транзистор состоит из двух электродов (истока и стока), а также управляющего электрода — затвора. Исток и сток разделены подложкой, которая служит для изоляции. Все три компонента (сток, исток и затвор) изготавливаются из кремния, в котором содержится незначительное количество примесных атомов. В стоке и истоке это фосфор или мышьяк. В этих атомах на один электрон больше, чем в кремниевых, и именно он, свободно передвигаясь, проводит ток (легирование донорной примесью). Подложка же обогащается бором или алюминием, у которых отсутствует один электрон (легирование акцепторной примесью). Таким образом, между кремнием р- и n-типа возникает обедненный слой, который блокирует движение электронов. Если к затвору приложить напряжение, в обедненной зоне откроется канал, по которому электроны перемещаются от истока к стоку, в результате чего транзистор переключается. При прекращении подачи напряжения на затвор транзистор остается включенным, но при этом не потребляет электроэнергию. Однако чем меньше элементы, тем сложнее осуществляется данный процесс, и в современных транзисторах ток проходит даже в том случае, если они выключены.

Утечка тока влияет на скорость работы чипа

Эти утечки в настоящее время ответственны почти за половину всей потребляемой процессором энергии. Ее доля растет экспоненциально — с уменьшением размера транзисторов. Устранение утечки — задача не из простых, так как электрические поля стока и истока влияют на электропроводность подложки. Кроме того, поле стока бывает настолько сильным, что в значительной степени снижает влияние затвора на канал, в результате чего он остается открытым и по нему проходят электроны, даже если на затвор не подается напряжение. Наряду с DIBL-эффектом (Drain Induced Barter Lowering — понижение потенциального барьера, обусловленное стоком) все больше проявляется эффект тоннеля: если барьер слишком слаб, то повышается вероятность, что электрон его преодолеет и, пройдя, словно по тоннелю, окажется на другой стороне. При миниатюризации транзисторов уменьшается и барьер между компонентами. Электроны затвора проходят сквозь подзатворный изолятор- диэлектрик, а также от истока и стока в подложку. При этом основная доля утечек тока приходится на электроны затвора. Возросшее энергопотребление, вызванное явлениями DIBL и эффектом тоннеля, можно преодолеть, восстановив контроль затвора над каналом. Производители чипов в последние годы предложили три способа решения данной проблемы.

Проблема: низкая эффективность

Чем меньше размеры транзисторов, тем сильнее они теряют ток и в результате работают медленнее. Сегодня компании-производители предлагают собственные разработки и различные технологические решения для борьбы с утечками тока.

Проблема: утечка тока

Электроны должны перемещаться по каналу от истока к стоку только тогда, когда на затвор подается напряжение. Однако и в выключенном транзисторе электроны продолжают движение. Это происходит по четырем причинам.

1. DIBL (Drain Induced Barrier Lowering — индуцированное током снижение барьера). Магнитные поля стока и истока оказывают влияние на подложку и затвор, вследствие чего возникает утечка тока.
2. Субпороговая утечка (Subthreshold Leakage) Электроны перемещаются от истока к стоку.
3. Ток утечки затвора Электроны затвора проходят сквозь защитный слой — подзатворный изолятор-диэлектрик, достигая подложки.
4. Переходная утечка Электроны проникают в подложку, проходя от стока к истоку.

РЕШЕНИЕ ОТ INTEL: транзкстор Tri-Gate

Канал имеет большую высоту, благодаря чему у затвора увеличивается площадь влияния.

РЕШЕНИЕ ОТ AMD: технологкя FDSOI

Так называемая технология Fully Depleted Silicon On Insulator (полностью обедненный кремний на изоляторе)предусматривает изоляцию канала.

Трехмерная структура изолирует транзисторы

Сначала предпринимались попытки совершенствования изоляционного слоя между затвором и каналом. Компания Intel много сделала для улучшения характеристик транзисторов и снижения токов утечек — речь идет о применении технологии напряженного кремния и внедрении затвора с высокой диэлектрической проницаемостью. Затем Intel заменила материал своих 45-нанометровых чипов, начав использовать сплав гафния вместо оксида кремния. Данный материал обеспечивает более интенсивное влияние поля затвора на канал и имеет большую толщину, благодаря чему эффект тоннеля снижается. Но для 32-нанометровых элементов этого недостаточно, и производители пытаются изолировать канал от остальных компонентов транзистора. Для этого необходимо менять существующую десятилетиями структуру и использовать трехмерную архитектуру: в новых решениях от компании Intel под кодовым именем Tri-Gate, имеющих трехмерное строение, канал вырос в высоту. Затвор окружает его с трех сторон и обладает большей площадью влияния. Это снижает ток утечки и обеспечивает более высокий контроль движения электронов от истока к стоку. Кроме того, отпадает необходимость в легировании канала, благодаря чему электроны пересекают его без каких-либо препятствий и скоростных потерь, поэтому транзистор переключается быстрее. Начиная с 2012 года Intel намерена использовать транзисторы с трехмерной структурой в процессорах нового поколения на базе микроархитектуры Ivy Bridge. Компания заявляет, что чипы на базе новых транзисторов при такой же производительности потребляют на 50% меньше электроэнергии, чем процессоры Intel Sandy Bridge, или при равном энергопотреблении переключаются на 37% быстрее. Более короткое время переключения означает, что процессор в целом работает на 58% быстрее.
Стоит отметить, что конкуренты пока еще не освоили сложное производство транзисторов с трехмерной структурой. Так, самый крупный независимый производитель чипов — компания TSMC, выпускающая, в частности, большое количество ARM-процессоров, намерена осуществить переход на данную технологию только после принятия норм 14-нанометрового техпроцесса, то есть не ранее 2014 года. AMD и IBM пытаются справиться с проблемой утечки тока иным образом: вместо использования трехмерной структуры канала они намерены изолировать его от подложки. В транзисторах FDSOI (Fully Depleted Silicon On Insulator — технология обедненного кремния) между каналом и подложкой размещается слой оксида кремния. Благодаря этому негативное воздействие таких эффектов, как DIBL, перестает играть существенную роль, а сам канал также не нуждается в легированных носителях заряда. Однако, в отличие от новых чипов Intel с решениями Tri-Gate, производство которых уже начато, подложки с транзисторами FDSOI для чипов AMD достигнут своей серийной зрелости не ранее 2012—2013 года.

ARM против Atom битва за будущее мобильных процессоров

В настоящее время процессоры ARM (например, NVIDIA Tegra 2) имеют превосходство над чипом Intel (Atom N450). Ориентировочно только в 2013 году у Intel Atom появится шанс на равных соперничать с экономичными и более производительными чипами ARM.

ОСОБЕННОСТИ ARM-ПРОЦЕССОРА: маленький размер, высокая производительность, экономичность
Низкое энергопотребление и эффективный набор команд позволяют ARM-процессорам работать на высокой тактовой частоте. Процессоры Intel Atom пока не могут похвастаться данными качествами.

ARM: NVIDIA Tegra 2
Экономичный и миниатюрный чип, оснащенный двумя процессорными ядрами, памятью и четырьмя процессорами для выполнения специальных задач.
АТОМ: N450
Довольно большой по размеру чип с высоким TDP имеет одно ядро, интегрированную графику и память.

Смартфоны — такие же быстрые, как компьютеры

В начале 2013 года компания Intel планирует начать производство новых процессоров Intel Atom на базе трехмерных транзисторов Tri-Gate, что сделает их пригодными для использования в смартфонах и планшетах. Однако современные процессоры ARM при аналогичной производительности потребляют меньше энергии. Набор команд х86 очень обширен, что отрицательно сказывается на вычислительной мощности, так как в них содержатся инструкции оптимизации кода, которые объединяют несколько операций. Например, архитектура х86 работает с командами различной длины — от 1 до 32 бит. Комплексные инструкции должны заранее разделяться аппаратными декодерами на небольшие микрооперации, чтобы процессор смог загрузить их за одну операцию доступа к памяти. Система команд в ARM-чипах позволяет использовать и 16-, и 32-битные инструкции одновременно, а каждая команда загружается при выполнении операции доступа к памяти, что значительно упрощает выстраивание конвейера. Последний служит для выполнения потоковой обработки инструкций за один такт. Чем эффективнее заполнение конвейера, тем быстрее процессор выдает результат обработки.
Что касается повышения производительности, то современные чипы ARM подают большие надежды. Уже к концу 2011 года ожидается появление 40-нанометровых процессоров с четырьмя ядрами (1—1,5 ГГц)— например, в платформе NVIDIA Tegra 3, которая будет демонстрировать высокую графическую производительность за счет возросшего количества GPU-ядер. Также здесь будет использоваться расширение NEON, которое оказывает большое влияние на скорость декодирования видео и воспроизведения потока. Другие лицензиаты архитектуры ARM, например компании Qualcomm или Texas Instruments, также форсируют выпуск четырехъ- ядерных процессоров, ожидая при этом перевода производства чипов на 28-нанометровый технологический процесс. Их появление планируется уже в первом квартале 2012 года, а одним из первых поставщиков станет тайваньская компания TSMC. Уменьшение размеров чипов означает повышение производительности устройств, которые появятся на рынке в середине 2012 года. Это позволит увеличить пропускную способность процессоров, которые выполняют специальные задачи — например, декодирование видео или формирование изображения. Переход на 28-нанометровыйтехпроцесс ознаменует собой появление нового поколения процессоров Cortex-A15. Они будут способны работать на тактовой частоте до 2,5 ГГц и позволят увеличить объем кеш-памяти второго уровня, к которой получают доступ все ядра, с 1 до 4 Мбайт. Одновременно с этим удвоится и разрядность шины памяти (до 128 бит), посредством котором сообщаются отдельные компоненты чипа.
Отметим также, что чип Cortex-A15 разрабатывается не только для мобильных устройств. Адресное пространство нового процессора увеличено до 40 бит, что позволяет ему поддерживать виртуальные системы. Все эти качества важны, прежде всего, для мощных ПК и даже серверов. Конечному же пользователю соперничество таких разработок в ближайшее время принесет одни преимущества. Уже в следующем году ожидается выход большого количества более быстрых и экономичных смартфонов и планшетов, что, кстати, как раз совпадет по времени с официальным релизом операционной системы Windows 8.

ARM 2012: двойная производительность для планшетов и смартфонов

В следующем году мобильные устройства получат большее количество вычислительных ядер. Они будут предоставлять достаточно производительности для 3D и компьютерных игр, которые могли бы работать и на игровых консолях. В этом можно убедиться при знакомстве с двумя чипами ARM компании Texas Instruments.

2011 год: двухъядерный чип 0МАР4430
Этот ARM-процессор с мощным графическим ядром уже вовсю используется в современных смартфонах и планшетах.
2012 год: четырехядерный чип 0МАР5430
Несколько ядер повышают скорость вычислений, а дополнительные процессоры сокращают энергопотребление.

По материалам журнала «Chip»