Intel Core i7-3770K – Ivy Bridge och 3D-transistorn är här

Intel tänjer på gränserna med 22 nanometerstekniken

Intels position på marknaden inom tillverkningstekniker är inget annat än imponerande. Vi ser att övriga aktörer inom halvledarindustrin håller på att migrera över till 32 och 28 nanometerstekniker, medan för Intel är det från och med idag historia. De har sedan månader tillbaka massproducerat processorer på den nya 22 nanometerstekniken, med en ny typ av banbrytande transistor som andra fortfarande endast experimenterar med.

Den så kallade 3D-transistorn från Intel har det varit tal om sedan de första började prata om den offentligt maj förra året, men vad är egentligen denna 3D-transistor eller som den egentligen heter Tri-gate? Transistorerna är inte mycket mer tredimensionella än tidigare, men samtidigt är det inte helt fel att säga att Intel lagt till en tredje dimension på transistornivå.

Problemet med mindre transistorer

En transistor fungerar i princip som en strömbrytare med två lägen – 1 (på) och 0 (av). När transistorn är 1 så ska så mycket ström som möjligt kunna flöda igenom den, och när den är 0 så ska så lite som ström som möjligt göra det – optimalt är om man helt kan stoppa strömflödet. Om inte det var nog, så måste en transistor klara av att slås av och på så fort som möjligt. Antalet gånger en transistor slås av och på i sekunden, är det vi kallar för klockfrekvens. Intel Core i7-3770K vi testar idag har en klockfrekvens på 3,5 GHz (GigaHertz), vilket innebär att transistorerna i processorkärnorna slås av och på 3,5 miljarder (3 500 000 000) gånger i sekunden!

Vi kan krympa transistorer, och få plats med fler på samma samma yta som tidigare – strömmen eller rättare sagt elektronerna är inte lika lätt, eller rent ut sagt omöjligt att krympa. Våra kära elektroner har alltid haft samma storlek och kommer alltid att ha det. Jakten på snabbare processorer gör att elektronerna blivit allt större i förhållande till en transistor, och gärna försvinner iväg. Det här är det lömska strömläckaget vi tjatar om varje gång en ny tillverkningstekniker kommer på tal, och problemet fortsätter bara att växa. Det här är en av många anledningar till att vi inte får ut samma resultat av nya tillverkningstekniker idag, som för flera år sedan – vi kommer allt närmare en gräns där fysikens lagar säger ifrån.

High-K Metal Gate en av många tekniker

Vi har under mycket lång tid försöka lägga plåster på strömläckaget och lindra det, med bra resultat. Bulk och Silicon-on-Insulator (SOI) introducerades för många år sedan för detta, medan HKMG (High-K, Metal Gate) är en av de senare.

Tidigare hade kiseldioxid (SiO2) använts mellan transistorporten och strömflödet för att slå på och av transistorn. I takt med att vi krympte våra transistorer ytterligare blev kiseldioxidlagret allt tunnare, vilket i sin tur bidrog till ett kvantfenomen som kallas tunneldrivning eller Quantum Tunneling. Antalet transistorer som kiseldioxid-lagret var uppbyggt av blev så litet, att elektroner klarade av att pressa sig igenom på platser där det egentligen inte borde vara möjligt.

Intel Penryn – världens första kommersiella krets med HKMG

Intel var först i världen att introducera HKMG, och de valde att använda hafniumdioxid (HfO2) för att ersätta kiseldioxiden. Förutom högre kapacitans sänktes strömläckaget avsevärt. Utan tekniker som dessa så hade det kisel vi bygger våra processorer och kretsar av, bokstavligt talat brunnit upp så fort vi slagit på vår dator eller vad det nu är för elektronik man använder sig av. Det är alltså inga prestandahöjande medel det handlar om, utan ett absolut måste i jakten på högre prestanda och lägre strömförbrukning.

Tri-gate nästa steg i utvecklingen

Tri-gate är ytterligare en teknik för att lägga band på strömläckaget, och liknar väldigt mycket FinFET även om Intel officiellt inte vill erkänna det. I vår intervju med Intels Europachef, Patrick Bliemer diskuterade vi just deras 22 nanometersteknik men även den kommande 14 nanometerstekniken, som väntas gå in i ett massproduktion under första halvan 2014. Det här var tyvärr en del som inte kom med i vår artikel om intervjun så vi tar det här istället.

• Intels Patrick Bliemer om 14nm och fokus på smartphones [Intervju]

Vi frågade om Tri-gate-transistorerna verkligen var nödvändiga på 22 nanometer – hade man klarat sig utan tekniken? Alla foundries kommer inte börja använda någon form av 3D-transistor förrän 14 nanometer, så samma sak borde gälla Intel. Vi fick svaret att det definitivt hade varit möjligt, men att Intel inte hade blivit nöjda med resultatet. Tri-gate ökar även tillverkningskostnaderna, men fördelarna överväger nackdelarna menade han på. Tri-gate ökar totalt tillverkningskostnaderna med två till tre procent. Intel övervägde även SOI, men detta hade gett ett prispåslag på tio procent.

Så vad gör transistorn speciell?

Vad är egentligen Intels Tri-gate-transistor? Det som används överallt idag är så kallade “Planar transistors”, alltså plana transistorer. De plana transistorerna har en plan yta där strömmen kan flöda (Inversion Layer, Inversionsskikt), och över den finns en port (Gate) som har uppdraget att stänga av och på transistorn. Vad Tri-gate-transistorn gör är att den stänger av och på strömflödet i en transistor från tre olika dimensioner, då inversionsskiktet numera är en fena som står upp.

Intels Tri-gate-transistorer på 22 nanometer under mikroskopet

I jämförelsen ovan har Intels Tri-gate-transistor bara en fena, men beroende på användningsområde kan flera fenor användas. Fler fenor resulterar i att man kan få igenom mer ström när det behövs, vilket i sin tur leder till högre potentiell prestanda. Om en del i en processor ska köras i relativt låga klockfrekvenser kan det räcka med en transistor som har en ensam fena, medan snabbare delar som själva processorkärnan kan få transistorer utrustade med flera fenor för ett högre strömflöde.

En plan 32 nanometertransistor, bredvid Intels 22 nanometertransistor med fenan till höger

Porten som stänger av och på omringar nu fenan från tre olika håll samtidigt, vilket gör att den släpper igenom mindre ström när transistorn är avstängd. Transistorer med flera fenor kan i sin tur också öka klockfrekvenserna till nya höjder. Man har alltså lyckats förbättra transistorn på de tre viktigaste punkterna:

• Högre strömflöde
• Lägre strömläckage
• Högre klockfrekvenser (snabbare på och avslagning)

Tekniken i sig är lovande om vi ska lita på Intels uppgifter. Med lägre spänning (0,7V) ska den nya tillverkningstekniken med Tri-gate-transistorerna bjuda på 37 procent högre prestanda med samma strömförbrukning som tidigare. Med något högre spänning (1,0V) ligger ökningen på 18 procent. Vi kommer alltså få se störst skillnad på företagets mobila utbud med hjälp av den nya transistorn, men inte minst tillverkningstekniken på 22 nanometer.