Computergebruikers willen almaar snellere machines. Daarbij moeten die ook nog eens zuinig, stil en goedkoop zijn. Nieuwe fabricageprocessen voor de 45 nm-generatie bedienen ons op onze wenken.
Al decennia lang horen we regelmatig dat de grenzen van de chipfabricage nu echt in zicht komen. Desondanks hebben de fysici werkzaam in de halfgeleiderindustrie altijd weten te voorkomen dat de Wet van Moore in de knel kwam. Deze voorspelt – ook al decennia lang – dat de dichtheid van de transistoren op de chips ongeveer elke anderhalf tot twee jaar verdubbelt. Inmiddels bevat een enkele chip er al een paar honderd miljoen.
Met de steeds verdere verkleining zijn de siliciumbanen echter zo klein en dun geworden (slechts een paar honderd atomen breed en een handvol atomen hoog) dat het steeds moeilijker wordt hier goedwerkende transistoren van te bakken.
De chipfabrikanten moeten daarom voor elk nieuw fabricageproces weer op zoek naar de juiste balans tussen snelheid, stroomverbruik, en levensduur. Een snelle en kleine transistor heeft namelijk meer lekkage en dus een groter verbruik en warmteafgifte. Een hogere dissipatie leidt bovendien tot een snellere degeneratie van de chip. Dat is waarom Intel er bijvoorbeeld voor koos om in zijn laatste Itanium-processoren alleen snelle transistoren te gebruiken op plaatsen waar dat noodzakelijk is.
Hoge k
Het steeds kleiner maken van de transistoren op de chips is altijd gepaard gegaan met complexe veranderingen van het productieproces. Steeds kleinere banen vragen voortdurend om nieuwe materialen, nieuwe processen en nieuwe lithografische recepten.
Om de volgende stap, die van 65 naar 45 nanometer (nm), mogelijk te maken, zetten zowel Intel als het tandem AMD/IBM voor het eerst sinds het veertigjarige bestaan van de processor nieuwe materialen in voor de constructie van de transistoren. Beide kampen hebben in eerste instantie echter heel verschillende strategieën gekozen om hun fabricageprocessen te verbeteren.
Intel vervangt de materialen van de gate en het diëlektricum, de basisonderdelen die een transistor zijn schakelende werking geven (zie figuur). Het diëlektricum is tot nu toe meestal van siliciumdioxide (SiO2) gemaakt, maar straks is dat een nieuw materiaal met een zogenaamde ‘hoge k’. Die k staat voor de diëlektrische doorlaatbaarheid van het materiaal, een belangrijke eigenschap voor isolatoren die worden gebruikt in elektronische componenten. Om daar goed op aan te sluiten, moet ook de traditionele poly-silicium gate-elektrode door een op metaal gebaseerde elektrode worden vervangen. De verbindingen tussen de transistoren onderling worden nog steeds gelegd met koper.
Performance per Watt
De details van de gebruikte materialen houdt men natuurlijk zo veel mogelijk geheim. De recepten voor het nieuwe 45 nm-proces zijn op dit moment net zo waardevol als Coca Cola’s geheime ingrediënt 7X. Intel wil alleen kwijt dat het bedrijf onder andere hafnium gebruikt voor het diëlektricum, waarmee de lekkage van de gate met meer dan een factor tien wordt teruggebracht. Verder claimt het bedrijf een twintig procent hogere stuurspanning (en dus een hogere schakelsnelheid) of een meer dan vijfvoudige reductie in de source-drain lekkage. Een andere veelbelovende metaalsoort met een hoge k is zirconium. Mogelijk horen we daar in de nabije toekomst meer over.
Hoewel ook zij experimenteren met hafnium als hoge-k materiaal voor het diëlektricum, gaan AMD en IBM waarschijnlijk eerst aan de slag met twee andere innovaties. De eerste is ‘immersion lithography’. Daarbij worden de wafers niet in de lucht maar door een vloeistof bestraald. De andere verbetering betreft het gebruik van ultra-low-k interconnectie-diëlektrica. Deze bevinden zich juist niet in het hart van de transistoren, maar tussen de koperverbindingen waarmee de transistoren onderling aan elkaar worden geknoopt. De poreuze isolatoren moeten een snelheidswinst van vijftien procent en een anderhalf maal hogere stuurspanning opleveren.
Power management
Al deze verbeteringen vertalen zich naar meer cores en grotere caches op de chips, hogere kloksnelheden en een lager verbruik. Volgens Intel zullen de nieuwe processoren dertig procent minder stroom verbruiken bij het schakelen. Daarmee legt het bedrijf de verbinding tussen het elektronenmicroscopische niveau van de hoge-k materialen enerzijds en de performance per Watt die tegenwoordig zo belangrijk is anderzijds.
Een snelle processor maken is immers één ding, zorgen dat die niet te veel verbruikt is iets heel anders. Het heeft immers geen zin om een quad-core op de markt te zetten die ook vier keer zo veel stroom verbruikt. De bestaande behuizingen en rekken zijn simpelweg niet op zo veel warmteafgifte berekend.
De dichtheid van onze servers is de afgelopen jaren enorm toegenomen. Denk maar aan de blades en de 1U ‘pizzadozen’ die onze datacenters tegenwoordig bevolken. Nu al gebeurt het regelmatig dat de helft van de slots in de rekken niet gebruikt kunnen worden omdat de boel anders te heet wordt. Processorfabrikanten staan daarom onder grote druk om het stroomverbruik van hun producten sterk terug te dringen. Dat beperkt zich echter niet tot de fabricageprocessen. Waar mogelijkheden voor power management voorheen uitsluitend in de processoren voor pc’s en laptops werden opgenomen, zien we die nu ook in het rekencentrum terug. De laatste server-processoren van Intel en AMD zijn zonder uitzondering voorzien van respectievelijk EIST (Enhanced Intel SpeedStep Technology) en PowerNow!
Productie
Intel heeft op dit moment vijftien producten voor 45 nm in de planning staan. Het gaat vooral om de tweede generatie quad-cores. Inmiddels heeft het bedrijf er al vijf aan de praat in echte pc’s met een werkend besturingssysteem erop.
De eerste eindproducten zullen in de tweede helft van dit jaar op de markt worden gezet. De eerste wordt de Penryn-processor. Die zal gebaseerd zijn op de Merom, die we beter kennen als de Core 2 Duo voor de laptop. Behalve met de voordelen van de nieuwe fabricagemethode zal de Merom-familie ook met vijftig nieuwe SSE4 multimedia-instructies worden uitgebreid.
De productie wordt nu voorbereid in de D1D fabriek in Oregon. Heeft Intel het hele productieproces eenmaal goed in de vingers, dan wordt de hele fabriek zo nauwkeurig mogelijk gekopieerd naar Fab 32 in Arizona en Fab 29 in Israël. Volgend jaar zullen de 45 nm chips dan in grote volumes worden geproduceerd.
Voor AMD is daadwerkelijke productie nog even ver weg. Intel maakt al een jaar processoren volgens de huidige 65 nm-techniek. AMD doet dat pas sinds een paar maanden. Dat bedrijf kon onlangs wel ook de eerste 45 nm samples laten zien. De eerste echte producten kunnen we echter pas over anderhalf jaar verwachten. Bovendien zullen die in eerste instantie waarschijnlijk nog in hun huidige Silicon-on-Insulator (SOI) proces worden gefabriceerd.
