Корпорация Intel готовится к запуску 32-нм производственной технологии, в которой будут использоваться диэлектрики high-k и транзисторы с металлическими затворами второго поколения. Эта технология станет основой новой микроархитектуры Westmere, 32-нм версии микроархитектуры Intel под кодовым наименованием Nehalem. Планируется выпуск продукции с Westmere для следующих сегментов: мобильные, настольные системы и серверы. По сообщению пресс-службы корпорации, Intel стала первым производителем, который продемонстрировал полностью функционирующие 32-нм процессоры. В соответствии с планом создания инновационной продукции каждые два года Intel попеременно внедряет новые поколения производственных технологий и разрабатывает новую микроархитектуру процессоров (эта модель получила название «тик-так» -- tick-tock).

Особенности производства

Чтобы лучше оценить значение 32-нм производственной технологии, полезно оглянуться в прошлое и вспомнить 2007 г., когда впервые был представлен 45-нм производственный процесс (с внутренним названием P1266), позволивший Intel освоить выпуск процессоров на базе успешной высокопроизводительной микроархитектуры Nehalem. В процессе P1266 впервые применялись транзисторы с диэлектриками high-k и металлическими затворами, которые представляли собой настоящий технический прорыв. Эти транзисторы обладают более высокой производительностью и имеют малый ток утечки. После освоения процесса P1266 Intel оперативно наладила серийный выпуск 45-нм процессоров; переход от лабораторных исследований к стадии промышленной эксплуатации был самым быстрым в истории корпорации. Производство 45-нм процессоров было организовано в два раза быстрее по сравнению с производством по 65-нм технологии в первый год ее появления. Сегодня производится самая разнообразная 45-нм продукция, предназначенная для различных сегментов рынка. По этим технологическим нормам выпускаются одноядерные процессоры Intel Atom, двухъядерные Intel Core 2 Duo, четырехъядерные Intel Core i7 и шестиядерные процессоры Intel Xeon серии 7500.

Основа 32-нм технологии -- транзисторы с диэлектриками high-k и металлическими затворами второго поколения, в которых реализовано множество усовершенствований по сравнению с первым поколением подобных устройств. Так, эквивалентная толщина оксидного слоя диэлектриков high-k уменьшилась с 1,0 нм (45-нм процесс) до 0,9 нм (32-нм процесс), при этом длина затвора сократилась до 30 нм. Шаг затвора транзистора продолжает уменьшаться в 0,7 раза каждые два года. Таким образом, 32-нм технология позволяет создавать транзисторы с самым маленьким шагом затвора.

Стоит отметить, что в 32-нм процессе используются те же самые основные технологические операции осаждения металла на затворе, что и в 45-нм технологии, поэтому можно применять наработки, хорошо себя зарекомендовавшие в существующем весьма успешном производстве. Эти усовершенствования — важнейшее условие уменьшения размеров интегральных схем и повышения быстродействия транзисторов. 32-нм производственная технология с транзисторами с диэлектриками high-k и металлическими затворами второго поколения позволяет разработчикам одновременно оптимизировать размеры и производительность кристаллов. Благодаря уменьшению толщины оксидного слоя и длины затвора скорость срабатывания транзисторов выросла более чем на 22%. Эти транзисторы с миниатюрным затвором рассчитаны на очень высокий управляющий ток, а величину тока утечки также можно оптимизировать. У новых транзисторов он снижен более чем в пять раз по сравнению с 45-нм NMOS-транзисторами и более чем в 10 раз по сравнению с PMOS-транзисторами. Это позволяет проектировать более компактные микросхемы с улучшенным соотношением цена/производительность. Кроме того, в 32-нм процессе используется технология «напряженного кремния» четвертого поколения, увеличивающая быстродействие транзисторов – у Intel было время и возможности для внедрения существенных усовершенствований.

Актуальность закона Мура

Опытный образец 32-нм микросхемы памяти SRAM был впервые продемонстрирован в сентябре 2007 г. и стал не только доказательством жизнеспособности этого производственного процесса, но и очередным подтверждением справедливости закона Мура. Перейдя на 32-нм технологию, Intel получила возможность уменьшить размер ячейки с 0,356 кв. мкм (45-нм процесс) до 0,171 кв. мкм (32-нм процесс). Если вспомнить предыдущие реализации производственных технологий, станет понятно, что Intel продолжает следовать курсу на уменьшение размеров транзисторов на 50% каждые два года; при этом удваивается плотность транзисторов на кристалле. Исключительная сложность и крошечные размеры опытного образца микросхемы также свидетельствуют об устойчивости производственной технологии. Экспериментальная микросхема достаточно сложна (свыше 1,9 млрд транзисторов), имеет большую емкость (291 Мбит) и высокое быстродействие (работает на частоте 4 ГГц). Она послужит отличным «испытательным стендом» для отладки технологии – увеличения выхода годных изделий, повышения производительности и надежности – в процессе подготовки к выпуску 32-нм процессоров.

Intel очень гордится организацией подготовки 45-нм процесса P1266 к серийному производству и достигнутым высоким процентом выхода годной продукции. При освоении 45-нм технологии корпорации удалось быстро добиться снижения числа дефектов. Этот результат был достигнут несмотря на то, что внедрялись сложнейшие производственные процессы и новая технология. Теперь 45-нм процесс P1266 считается самым надежным. Динамика же роста процента выхода годных изделий, выпускаемых по 32-нм технологии, точно соответствует показателям, достигнутым при внедрении 45-нм процесса, или даже превышает их. Темпы снижения плотности дефектов в настоящее время повторяют картину, наблюдавшуюся два года назад при освоении 45-нм технологии, и в Intel очень надеются, что к IV кварталу 2009 г., когда начнется выпуск серийных процессоров, уменьшится частота появления дефектов и увеличится выход готовой продукции.

В Intel планируют в течение следующих двух лет подготовить четыре завода к переходу на выпуск процессоров по 32-нм технологии. Фабрика D1D (Орегон) уже функционирует, фабрика D1C (Орегон) к IV кварталу 2009 г. будет удовлетворять требованиям к производству 32-нм продукции. А в 2010 г. Intel модернизирует еще два предприятия -- Fab 32 (Аризона) и Fab 11X (Нью-Мехико).

Стратегия «тик-так»

Westmere – первое семейство процессоров, которые будут выпускаться по 32-нм технологии. Эти устройства (32-нм версия микроархитектуры Nehalem) будут доступны для разных сегментов. Модель «тик-так» предполагает, что микроархитектура «обкатывается» на текущем производственном процессе, затем переносится на новую производственную технологию. 45-нм продукты на базе Nehalem («так») представляли во многом новую процессорную архитектуру и исполнение, и их выпуск был начат по 45-нм производственной технологии, уже находившейся в промышленной эксплуатации. Процессоры на базе Westmere («тик», начало производства запланировано на IV квартал 2009 г.) – следующий этап. Эти более компактные, быстродействующие и экономичные 32-нм процессоры реализованы на базе существующей микроархитектуры. С началом выпуска процессоров на базе Westmere микроархитектура Intel под кодовым наименованием Nehalem станет доступной для систем массовой категории. Процессоры на базе Westmere будут иметь более высокую производительность (по сравнению с семейством 45-нм процессоров на базе микроархитектуры Intel Core) и ядро меньшего размера. Они станут основой многокристальных модулей (Multi-Chip Package, MCP) с графическим движком.

Со временем, после внедрения 32-нм производственного процесса, начнется выпуск процессоров Intel на базе микроархитектуры под кодовым наименованием Westmere для сегментов мобильных, настольных систем и серверов. Согласно планам выпуска продукции следом за 45-нм четырехъядерными процессорами Intel Core i7 и Intel Core i7 Extreme, поддерживающими восемь потоков инструкций, появятся их 32-нм версии под кодовым наименованием Gulftown, предназначенные для профессиональных настольных вычислительных систем. Для сегментов высокопроизводительных и массовых настольных ПК к 45-нм процессорам под кодовым наименованием Lynnfield (4 ядра и 8 вычислительных потоков) добавятся 32-нм процессоры под кодовым наименованием Clarkdale (2 ядра/4 потока), а также процессоры Clarkdale со встроенной графической системой.

Что касается мобильных вычислений, то в сегменте Mobile Extreme останутся 45-нм процессоры под кодовым наименованием Clarksfield (4 ядра/8 потоков), а в сегментах высокопроизводительных и массовых систем произойдет переход на 32-нм процессоры под кодовым наименованием Arrandale (2 ядра/4 потока), начало выпуска которых намечено на IV квартал 2009 г. В корпорации планируют переход на 32-нм производственную технологию во всех основных сегментах серверных процессоров Intel Xeon. В сегменте серверов начального уровня будут использоваться процессоры Clarkdale сразу после начала их выпуска для настольных систем. Сегмент «эффективной производительности» (процессоры Intel Xeon серии 5000) в будущем будет переведен с 45-нм процессоров Nehalem-EP на 32-нм процессоры на базе Westmere. Сегмент «расширяемых систем» (процессоры Intel Xeon серии 7000) в будущем также будет переведен с 45-нм процессоров Nehalem-EX на 32-нм процессоры на базе Westmere.

32-нм процессоры для клиентских систем будут отличаться не только более высокой производительностью и меньшими размерами кристалла. Массовые клиентские платформы претерпят значительные изменения с появлением новых процессоров Clarkdale и Arrandale. Как известно, ПК массовой категории строятся на базе решения из трех микросхем: процессора, «северного моста» «южного моста» (ICH). «Северный мост» включает интегрированную графику, контроллер памяти, устройство индикации и устройство управления (Manageability Engine) на базе технологии Intel vPro, а «южный мост» главным образом отвечает за управление функциями ввода-вывода.

В клиентских системах на базе Westmere интегрированная графическая подсистема и контроллер памяти будут размещаться в корпусе процессора в многокристальном модуле. Графический адаптер и контроллер памяти будут реализованы на 45-нм кристалле, смонтированном в общем корпусе с 32-нм кристаллом процессора. В будущем появится вторая микросхема, которая будет включать устройство управления на базе Intel vPro, контроллер ввода-вывода и устройство индикации. Эта новая микросхема для будущих 45-нм и 32-нм процессоров будет называться «набор микросхем Intel серии 5».

Цель этапов «тик» в производственной модели «тик-так» – перенос существующей процессорной микроархитектуры на процессоры, компоненты которых имеют меньший размер. Обычно при переходе на новую производственную технологию процессор подвергается небольшой модернизации (если это целесообразно). Однако процессоры на базе Westmere станут исключением из этого правила: в них добавлены новые инструкции микрокода, а также новые аппаратные функции для улучшения управления питанием. В процессорах Westmere будут реализованы новые инструкции для ускорения выполнения алгоритмов шифрования и расшифровки. Эти шесть новых инструкций соответствуют криптографическому стандарту Advanced Encryption Standard (AES), и они найдут широкое применение в корпоративных вычислительных средах. Например, можно будет разрабатывать ПО, использующее аппаратную реализацию алгоритма AES для шифрования всего содержимого жесткого диска.

Итак, первые продукты на базе Westmere будут предназначены для сегмента клиентских систем и будут включать двухъядерные процессоры с четырьмя вычислительными потоками: Clarkdale (для настольных ПК) и Arrandale (для мобильных ПК). Затем начнется выпуск серверной продукции, расширяющей возможности процессоров Nehalem-EX и Nehalem-EP. Эти новые продукты будут обладать повышенной производительностью при тех же самых показателях тепловыделения, в них будут реализованы усовершенствованные функции управления питанием, а также новые инструкции для ускорения выполнения алгоритмов шифрования и расшифровки.