Знакомьтесь, Penryn

Евгений Рудометов

www.rudometov.com

Освоив 45 нм технологический процесс, компания Intel объявила о массовом выпуске новой линейки процессоров

В декабре 2007 года исполнилось 60 лет со времени изобретения транзистора – полупроводниковой конструкции, постепенно вытеснившей радиолампы и открывшей эру полупроводников. Имена создателей этого замечательного прибора, получившие спустя некоторое время за свое изобретение Нобелевскую премию: Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн (Bell Labs). Именно они создали первый полупроводниковый усилительный прибор, получивший наименование «транзистор». Он был официально представлен в декабре 1947 года, и в последующие годы получил грандиозное распространение и стал элементной базой информационных технологий, начало которым принято считать со времени изобретения процессора.

Справедливости ради, следует отметить, что электронно-вычислительные машины появились ранее изобретения транзистора, и тем более процессора. Тем не менее,  массовыми компьютеры стали именно с изобретения процессора

Хорошо известна история появления микропроцессора 4004: его название, принятое по маркетинговым соображениям, отражает 4-рязрядную архитектуру. Тогда, в 1971 году, процессор отнюдь не стал хитом продаж, и даже в 1975 году раздел каталога изделий Intel, посвященных микрокомпьютерам, открывался двухстраничным разъяснением под заголовком "Зачем нужны микрокомпьютеры?

Сегодня такой вопрос уже не возникает благодаря быстрому прогрессу в полупроводниковых технологиях и появлению все более совершенных элементов, вершиной которых стали процессоры, позволяющие реализовывать все более смелые замыслы конструкторов.

В результате внедрения новых технологических процессов транзисторы уменьшаются в размерах, что позволяет увеличивать их число на полупроводниковых кристаллах. Сегодня размеры транзисторов исчисляются в нанометрах. Это позволяет создавать все более сложные схемы, функционирующие на все более высоких частотах.

В результате стремительно растет производительность и функциональность компьютеров. А они, как известно, в значительной степени зависящие от внутреннего устройства схем, реализованных на полупроводниковых кристаллах процессоров.

Микроархитектура NetBurst, пришедшая в 2000 году на замену микроархитектуре P6 (последние представители P6 – 0,18 мкм Coppermine, и финальный 0,13 нм Tualatin в 2001 году) уже стала историей. В разное время была представлена рядом разных дизайнов ядра: Willamette (2000 год, 0,18 мкм, 0,13 мкм), Northwood (2002 год, 0,13 мкм), Prescott/Smithfield (2004 год, 90 нм) и Cedar Mill/Presler (2006 год, 65 нм) – четыре поколения дизайна ядра и шесть лет на одной микроархитектуре!

Сегодня конструкторы Intel придерживаются новой стратегии. Согласно новым планам Intel предусмотрена смена микроархитектур и переход на новый техпроцесс каждые два года. Сегодня сложно сказать, удастся ли лидеру процессорной индустрии удерживать столь высокие темпы развития в течение длительного периода. В Intel такую стратегию выпуска продукции называет “tick-tock” (“тик-так”). Каждый “тик” отражает новый этап развития полупроводниктехновых производственных технологий и усовершенствования в области микроархитектуры процессорных ядер. Каждый “так” соответствует созданию новой микроархитектуры.

Как важный пример реализации данного подхода, можно рассматривать разработку процессоров с ядром Penryn, созданного по технологии 45 нм и воплотившего удачную   архитектуру Intel Core многократно проверенную в двух и четырехъядерных моделях процессоров Intel Core 2 Duo и Intel Core 2 Quad.

Ряд некоторых подробностей о своей новой разработке представители Intel раскрыли в декабре 2007 года на мероприятии, прошедшем в Москве под лозунгом «Миссия 45».

Открыл мероприятие региональный директор корпорации Intel в странах СНГ Дмитрий Конаш.

Рис. 1. Дмитрий Конаш, региональный директор корпорации Intel в странах СНГ

В своем выступлении руководитель Intel рассказал, что процессоры для настольных ПК нового поколения с рабочим названием Penryn будут построены на базе усовершенствованной микроархитектуры Intel Core. Основным их отличием станет переход на 45-нм техпроцесс и некоторые архитектурные новшества, вследствие чего повысится энергоэффективность, расширится частотный потенциал, увеличится количество выполняемых команд за такт и прочее.

Семейство 45 нм чипов Penryn станет основой для новых Core 2-ядерных чипов Wolfdale и 4-ядерных чипов Yorkfield, идущих на замену сегодняшним 65 нм процессорам Core 2 Duo и Core 2 Quad соответственно. Соответственно, процессоры семейства Penryn лягут в основу нового поколения мобильной платформы Intel Centrino с кодовым названием Montevina. Новая мобильная платформа Montevina, которая ожидается в первом полугодии 2008, заменит собой версию Santa Rosa.

Усовершенствования, которые принесет переход на новый техпроцесс. Необходимо отметить, что четырехъядерные процессоры Penryn будут включать около 820 млн. транзисторов, которые разместятся на двух кристаллах площадью 107 мм². Для сравнения, современные четырехъядерные процессоры Intel Kentsfield имеют 582 млн. транзисторов, при этом площади кристаллов четырехъядерных процессоров, выпускающихся по 65-нм нормам, составляют 143 мм².

Здесь просматривается сохранение закона Мура, согласно которому по-прежнему с периодичностью примерно раз в два года удваивается количество транзисторов, снижается удельная цена изготовления одного транзистора, увеличивается производительность,

Рис. 2. Закон Мура

В новых процессорах используются high-k диэлектрики, металлические затворы и другие нововведения 45 нм техпроцесса. Сам процесс был опробован немногим более года назад и продемонстрирован на пластинах с памятью SRAM. К слову сказать, это стало уже традицией.

Рис. 3. Изменение плотности микросхем

Переход на новые, более прецизионные нормы техпроцесса влечёт за собой необходимость решения вопросов уменьшения токов утечек транзисторов, что напрямую влияет на энергопотребление и тепловыделение чипа в целом. Снижение толщины этого слоя приводит к появлению эффекта прямого туннелирования электронов через изолирующие слои. Это ведет к резкому увеличению тока утечки через материал диэлектрика затвора. Для решения данной проблемы диоксид кремния был заменён на тонкий слой материала на базе солей редкоземельного металла гафния с высоким показателем диэлектрической проницаемости.

Новый 45 нм техпроцесс Intel подразумевает меньшие размеры транзисторов при значительно более плотном размещении этих транзисторов на пластине – примерно в два раза более плотное, чем в случае предыдущего 65 нм поколения. Уменьшившиеся размеры транзисторов привели к уменьшению примерно на 30% тока, требующегося для их переключения, при этом более чем на 20% выросла скорость переключения транзисторов, более чем в пять раз уменьшились токи утечки

В процессорах семейства Penryn компания Intel решила увеличить объем кэша. Так, двухъядерные процессоры будут оснащаться кэшем L2 емкостью до 6 Мб, а отдельные четырехъядерные модели обзаведутся 12-Мб кэш-памятью.

Для увеличения производительности новых процессоров в них будет реализована поддержка нового набора команд SSE4. По словам представителей Intel, SSE4 – самое масштабное и значительное расширение архитектуры Intel ISA со времени появления SSE2. Набор команд SSE4 содержит несколько примитивов векторизации для компиляторов, обеспечивающих дальнейшее увеличение производительности и эффективности мультимедийных приложений.

Конечно, имеются и другие инновации, но об этом в следующий раз.

Рис. 4. Эволюция техпроцессов

Также кое-что было рассказано о более далеких планах компании. Производственный план усовершенствования литографических процессов Intel отныне не заканчивается 32-нм нормами. Техпроцесс, имеющий кодовое имя P1270 будет по плану, то есть через два года после 32нм. Так что закат полупроводниковой эры в очередной раз откладывается, и на всех ждет воистину интересное будущее.