Intel představil první 3D tranzistory!

Intel ohlásil významný průlom a historickou novinku v oblasti mikroprocesorů: první 3D tranzistory s označením Tri-Gate. Kombinace zvýšeného výkonu a nižší spotřeby energie opět umožňuje zlepšení budoucích zařízení založených na 22nm technologii.

22nm 3D tri-gate tranzistor

« »

Intel představil 22nm mikroprocesor, pracovně nazývaný Ivy Bridge, který bude prvním masově vyráběným čipem, jenž bude využívat 3D tranzistory Tri-Gate. Jde o významný průlom ve vývoji tranzistoru, tedy základního stavebního kamene moderní elektroniky. Vůbec poprvé od vynálezu křemíkových tranzistorů před více než 50 lety budou nyní do výroby uvedeny tranzistory využívající trojrozměrnou strukturu.

Společnost Intel zavede revoluční 3D tranzistor zvaný Tri-Gate, jehož základní obrysy byly poprvé představeny v roce 2002, do masové výroby ve své 22nm výrobní technologii v čipu, Ivy Bridge.

Trojrozměrné tranzistory Tri-Gate představují zásadní odklon od dvojrozměrných, plochých tranzistorů, které poháněly nejen všechny počítače, mobilní telefony a přístroje spotřební elektroniky, ale také elektroniku v automobilech, kosmických lodích, domácích spotřebičích, lékařských zařízeních a tisícovkách dalších zařízení, která každodenně používáme již po desetiletí.

Podívejte se na skvělé video, která najdete ZDE a které mnohé vysvětluje.

Moorovův zákon může platit dál

Vědci již delší dobu poukazují na výhody trojrozměrné struktury k udržení tempa tzv. Mooreova zákona (vývoj technologie se zrychlí zhruba každé dva roky – počet tranzistorů v procesoru se zdvojnásobí), jelikož rozměry elektronických zařízení se natolik zmenšily, že se z nich staly bariéry bránící dalšímu pokroku. Intel tedy využije tyto nové, trojrozměrné tranzistory v masové výrobě, což spustí novou éru Mooreova zákona.

Díky trojrozměrným tranzistorům Tri-Gate mohou procesory fungovat při nižším napětí s nižším únikem energie, takže oproti předchozím procesorům nabízejí lepší kombinaci energetické účinnosti a výkonu. Trojrozměrné 22nm 3D tranzistory nabízejí oproti plochým tranzistorům Intel 32nm nárůst výkonu o 37 procent při nízkém napětí - spotřebují méně než polovinu energie potřebné pro staré tranzistory na 32nm čipech.

Udržet vývoj Mooreova zákona je u 22nm generace ještě složitější, než tomu bylo v minulosti. Výzkumní pracovníci společnosti Intel však tento vývoj očekávali, a proto již v roce 2002 přišli s konceptem tranzistoru, který označili jako Tri-Gate. Dnes představená novinka je tak vyvrcholením několikaletého vývoje, na němž se podílely různé divize společnosti a který vyústil v uvedení tohoto tranzistoru do sériové výroby.

3D struktury

Tradiční ploché tranzistory byly nahrazeny tenkou trojrozměrnou křemíkovou vrstvou, jež vertikálně vystupuje z křemíkového substrátu. Kontrola proudu je zajištěna bránou na každé ze tří stran zmíněné vrstvy – dvě brány po stranách a jedna nahoře namísto pouhé jedné nahoře, jako je tomu u dvojrozměrných tranzistorů. Dodatečný tranzistor umožňuje maximální tok proudu při požadovaném vysokém výkonu a naopak téměř nulový tok v případě, že výkon očekáván není. Díky tomu se podařilo výrazně snížit spotřebu a tranzistor dokáže velice rychle přecházet mezi dvěma výše zmíněnými stavy, což opět vede k vyššímu výkonu.

Stejně jako mrakodrapy umožňují městským architektům optimalizovat dostupné místo tím, že se staví směrem vzhůru, tak trojrozměrný tranzistor Tri-Gate nabízí konstruktérům počítačů způsob, jak řídit hustotu. Tranzistorové „ploutve“ jsou vertikální, tudíž je možné je umisťovat velice blízko sebe. V budoucích generacích budou konstruktéři moci zvyšovat výšku těchto ploutví a dosahovat ještě vyššího výkonu a energetické úspornosti.

První představení 22nm 3D tranzistorů Tri-Gate

Tranzistor Tri-Gate bude implementován v novém 22nm výrobním procesu, který označuje velikost tranzistoru. Společnost Intel dnes představila první 22nm mikroprocesor označovaný jako Ivy Bridge pro notebooky, stolní počítače a servery. Právě procesory Intel Core budou prvními čipy, které budou využívat tranzistory 3D Tri-Gate. Procesory Ivy Bridge se začnou sériově vyrábět do konce roku.

Dosažený průlom rovněž umožní uvést na trh další produkty postavené na procesorech Intel Atom, které umožní vyšší škálovatelnost výkonu, funkčnosti i kompatibility, přičemž zároveň uspokojí požadavky na výkon, náklady a velikost.

JAK MÁLO JE 22 NANOMETRŮ

První tranzistor, který v roce 1947 vyrobila společnost Bell Labs, byl tak velký, že se skládal dohromady ručně. Pro srovnání: na špendlíkovou hlavičku by se vešlo přes 100 milionů 22nm tranzistorů Tri-Gate.
Do tečky na konci této věty by se vešlo přes 6 milionů 22nm tranzistorů Tri-Gate.
Brány 22nm tranzistoru Tri-Gate jsou tak malé, že do šířky lidského vlasu se jich vejdou 4 tisíce.
Kdyby se lidská obydlí zmenšovala jako tranzistory, nebyla by dnes viditelná bez mikroskopu. Pokud by měl být 22nm tranzistor vidět pouhým okem, pak by čip musel být větší než dům.
Ve srovnání s prvním mikroprocesorem Intel, jímž byl model 4004 uvedený v roce 1971, běhá 22nm CPU 4000krát rychleji a každý tranzistor spotřebuje 5000krát méně energie. Cena tranzistoru klesla zhruba 50 000krát.
22nm tranzistor se dokáže přepnout 100miliardkrát za sekundu. Kdybyste tolikrát chtěli rozsvítit a zhasnout, trvalo by vám to 2000 let.
Jedna věc je tranzistor Tri-Gate navrhnout, druhá pak uvést ho do výroby. Továrny společnosti Intel vyrábějí před 5 miliard tranzistorů každou sekundu. To je 150 000 000 000 000 000 tranzistorů ročně neboli přes 20 milionů tranzistorů na každého muže, ženu a dítě žijící na naší planetě.

PŘES ŠEST DESETILETÍ ZMENŠOVÁNÍ TRANZISTORŮ

Od vynálezu tranzistoru v roce 1947 se tato technologie vyvíjela velice rychlým tempem. Pokračování tohoto vývoje, a to tempem udávaným Mooreovým zákonem, přineslo mnohé inovace; v poslední době to byl „napnutý křemík“ („strained silicon“ – představil Intel v roce 2003) a high-k/metal gate (představil Intel v roce 2007). Nyní Intel chystá přijít s další radikální změnou designu tranzistorů.

Poprvé v dějinách vstoupily křemíkové tranzistory do třetího rozměru. Podívejme se na dějiny tranzistoru a jeho klíčové milníky.

16. prosince 1947: William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain z Bell Labs úspěšně vyrobili první tranzistor.
1950: William Shockley vyvinul první bipolární tranzistor, tedy zařízení dnes nejčastěji označované jako tranzistor.
18. října 1954: První tranzistorové rádio Regency TR1 bylo uvedeno na trh. Obsahovalo čtyři tranzistory z germania.
25. dubna 1961: První patent získal Robert Noyce za integrovaný obvod. Původní tranzistory dostačovaly pro použití v rádiích a telefonech, ale pro potřeby elektroniky bylo zapotřebí něčeho menšího – integrovaného obvodu.
1965: Je definován Mooreův zákon – Gordon Moore předvídá, že počet tranzistorů na čipu se bude každý rok zdvojnásobovat (o deset let později periodu upravil na dva roky). Tento svůj názor uveřejnil v článku v časopise Electronics Magazine. O tři roky společně s Bobem Noycem založili společnost Intel. Název je zkratkou sousloví „integrovaná elektronika“.
1969: Intel úspěšně vyvíjí první křemíkovou PMOS. Tyto tranzistory i nadále používají jako dielektrikum tradiční oxid křemičitý (SiO2), ovšem jsou zaváděny nové polykřemičité elektrody.
1971: Intel představuje první mikroprocesor – 4004. Obsahoval 250 tranzistorů a byl vyráběn technologií 10 mikronů na 6 cm silných destičkách.
1985: Na trh je uveden mikroprocesor Intel386 – ten obsahuje 275 000 tranzistorů, což je stokrát více, než měl původní 4004. Mikroprocesor byl 32bitový a zvládal multitasking, takže uměl provozovat více programů současně. Původně byl vyráběn za pomoci CMOS technologie 1,5 mikronu.
13. srpna 2002: Intel představil několik technologických novinek v chystané 90nm technologii včetně výkonných nízkoenergetických tranzistorů, technologii „strained silicon“, vysokorychlostní měděné spojení a nový dielektrický materiál low-k. Jde o první proces v odvětví, který implementuje „napnutý křemík“ do výroby.
29. ledna 2007: Intel představuje revoluční materiály pro tranzistory: high-k a metal gate. Ty budou použity pro výrobu izolačních stěn a přepínacích bran na stovkách milionů mikroskopických tranzistorů (45nm) uvnitř nové generace procesorů Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad a Xeon – pod kódovým označením Penryn.
3. května 2011: Intel oznamuje, že do sériové výroby uvedl zcela nový tranzistor. Tranzistor Tri-Gate nabídne jedinečnou kombinaci výkonu a energetické úspornosti v široké škále počítačů: od serverů přes desktopy až po notebooky a kapesní zařízení.