Микроархитектура Intel Ivy Bridge открыла путь к дальнейшей миниатюризации чипов

Компания Intel официально представила в Киеве первое семейство процессоров на основе микроархитектуры Ivy Bridge, созданных с использованием трёхмерных транзисторов Tri-Gate и 22-нанометрового производственного процесса. Ними стало 3-е поколение чипов Intel Core. До конца года представители компании обещают выпустить другие версии 22-нм чипов, включая версии для ультрабуков и планшетов. Что означает выпуск новых чипов для рынка микроэлектроники?

Благодаря транзисторам с трёхмерной структурой затвора энергопотребление Ivy Bridge на 50 % меньше, чем у предыдущей микроархитектуры Sandy Bridge (при условии идентичного количества транзисторов в чипе). Таким образом, за счёт новой микроархитектуры Intel сможет закрепиться в тех сегментах рынка, где он в последнее время имел слабые позиции, прежде всего на рынке процессоров для смартфонов и планшетов. В первую очередь, речь идёт о соперничестве с компаниями ARM Holdings, Qualcomm, nVidia, Samsung и Texas Instruments.

Интересно, что в начале минувшего десятилетия Intel получил права на ARM-архитектуру и выпускал процессоры РХА для карманных компьютеров. Однако проникнуть на рынок смартфонов со своим ЦП компании Intel так и не удалось – его чипы оказались слишком прожорливыми для аккумуляторов того времени. Теперь, освоив  одним из самых продвинутых в мире технологических процессов, полупроводниковый гигант сможет вновь зайти на неприступный ранее рынок, ведь с выходом первых 22-нм мобильных процессоров Atom энергопотребление мобильных процессоров значительно уменьшится. Это означает, что противостояние между ARM и Intel, а также AMD и Intel может стать гораздо более жарким.

Примечательно, что рынок неоднозначно отреагировал на премьеру  Intel. Вице-президент ARM Holdings по маркетингу заявил: «Для нас это не стало неожиданностью, ведь мы знали, что Intel, как и индустрия в целом, ведёт работы над данной технологией… но мы уверены, что сила экосистемы ARM достаточно крепка для конкуренции».

AMD и её партнёр по производству Globalfoundries указали на преждевременность использования 3D-структур. В своём заявлении Globalfoundries отметила, что она не видит необходимости в таких технологиях до перехода на более тонкие техпроцессы, чем 22-нм.

Собственно, теперь конкурентам предстоит сложный выбор: либо переходить на ныне экзотическую технологию производства, использующую покрытие изолятора крайне тонким слоем кремния, либо использовать технологию непланарных транзисторов. Первый вариант на текущий момент сложно применим в промышленных масштабах, к тому же себестоимость таких транзисторов на 10-12% выше текущей. Второй же подразумевает под собой использование технологии, разработанной конкурентом, что заведомо ставит его в более выгодное положение. Эксперты полагают, что такой расклад сил позволит микроэлектронному гиганту опередить конкурентов в развитии технологии минимум на 3 года, а может и больше.

Отметим, что термин 3D-транзитор является чисто маркетинговым. Предыдущие, так называемые планарные 2D-транзисторы также обладали определенной трехмерностью, их нельзя назвать двумерными. Поэтому более правильно называть новую архитектуру Tri-Gate, то есть «трехзатворная».

Напомним, откуда появилась необходимость создания новых Tri-Gate транзисторов. Дело в том, что по мере миниатюризации процессора (слева), толщина слоя изоляции из диоксида кремния (SiO2) между затвором и каналом, по которому проходит ток, была доведена до предела. С каждым новым поколением чипов этот слой истончался: в 65-нм узле его толщина составляла лишь 1,2 нм, или 5 атомов. По мере истончения изоляционного слоя увеличивался риск возникновения утечки тока в транзистор – в результате чип потреблял все больше энергии и перегревается.

В технологии Tri-Gate (справа) на смену традиционному «плоскому» затвору с планарной структурой пришла очень тонкая трёхмерная кремниевая пластина, устанавливаемая перпендикулярно кремниевому субстрату. Прохождение тока контролируют три затвора, расположенные на гранях пластины: по два с каждой стороны и один сверху (в «плоских» транзисторах использовался только затвор сверху). Дополнительный контроль обеспечивает максимальную величину потока тока во включенном состоянии и приближенную к нулю – в выключенном. В результате сокращается потребление энергии и ускоряется их переключение.

Справедливости ради стоит отметить, что идея архитектуры Tri-Gate была представлена ещё в далеком 2002 году той же Intel. Она в те годы она не смогла наладить промышленное производство таких транзисторов, к тому же на тот момент в этом и не было необходимости.

Заметим, что переход к каждому следующему технологическому процессу дается производителям с огромным трудом. Так, чтобы перейти от 45-нанометрового процесса к 32-нанометровому пришлось пересмотреть базовый принцип литографической печати и осуществлять печать элементов в несколько проходов. Следующий же переход к 22 нм заставил инженеров компании отказаться от привычной печати в оптической среде – фактически было достигнуто максимальное разрешение оптики в воздухе, и для реализации задуманного потребовалось перенести печать в жидкостную среду, радикально увеличив оптическое разрешение.