Rudometov.COM

Spring 2002: от 130 нм к 90 нм

Прошло уже свыше трех десятков лет после появления первого микропроцессора, положившего начало появлению компактных и надежных компьютеров, функциональные возможности и вычислительная мощь которых постоянно увеличивается с появлением новых моделей процессоров. В процессе непрерывного совершенствования эти чрезвычайно важные комплектующие с каждым годом становятся все сложнее. Число транзисторов, составляющих их основу, увеличивается по экспоненциальному закону. Этот рост хорошо описывается всем известным законом Мура, предсказывающим регулярное удвоение числа транзисторов в компьютерных компонентах каждые 1,5-2 года.

Рис. 1. Гордон Мур (Gordon Moore, Chairman Emeritus of Intel Corporation)

Рис. 2. Рост числа транзисторов в процессорах

Увеличение функциональных возможностей компьютерных компонентов, включая рост их мощности, в значительной степени зависит от их архитектур, реализация которых в соответствующих кристаллах чипов определяется достигнутым уровнем технологий.

Именно развитие электронных технологий, стремящихся оперировать все более миниатюрными элементами, позволяет все время наращивать их число. Это обеспечивает конструкторам возможность усложнять архитектуры создаваемых изделий и расширять диапазон функций.

Однако необходимо сознавать, что каждый достигнутый уровень технологии имеет свой предел, ограничивающий число элементарных транзисторов, размещаемых на кристаллах микросхем.

Действительно, рост размеров кристаллов ведет к росту их цены. В первую очередь это связано с уменьшением выхода готовых изделий с одной пластины. Здесь уместно напомнить, что кристаллы чипов будущих изделий создаются одновременно в процессе многостадийной обработки пластины. Кроме того, остается добавить, что с ростом площади кристаллов возрастает вероятность появления дефектов.

Увеличение же плотности ограничено как размерами элементов микросхемы, так и рядом проблем, вытекающих из законов физики полупроводников и особенностей проектирования современных высокочастотных электронных схем.

Все вышесказанное относится ко всем изделиям, но особенно сильно проявляется для таких сложных и важных комплектующих, как процессоры компьютеров.

Необходимо отметить, что приближение к технологическому пределу приводит к низкому выходу годных кристаллов и, соответственно, к росту себестоимости для старших моделей. По мере роста вычислительной мощности процессоров, их энергопотребления и, как следствие, увеличения теплообразования, обостряются проблемы поддержания оптимальных температурных режимов их работы, достигающие критических значений именно вблизи технологических пределов. Все это сдерживает дальнейшее развитие архитектуры процессоров и роста их мощности.

Конструкторам приходится постоянно решать указанные непростые задачи. Так было и с процессами 0, 25 мкм, и с 0,18 мкм, и с 0,13 мкм.

Сочетание 0,13-микронной технологии и 300-миллиметровых подложек позволяет увеличить количество процессоров в расчете на одну подложку почти вчетверо, по сравнению с 0,18-микронной технологией на 200-миллиметровых подложках предыдущего поколения. Кстати, первой в отрасли перешла на подложки большего размера и уменьшила размеры транзисторов и соединительных проводников именно корпорация Intel. В результате этого она сумела значительно снизить себестоимость и поднять производительность процессоров.

Несмотря на то, что технологический процесс 0,13 мкм освоен далеко не всеми фирмами, занимающими верхние строчки рейтингов, индустрия активно готовится уже к очередным рубежам. Следующим таким этапом является технология 0,09 мкм (90 нм).

Здесь следует напомнить, что на этом пути существует много проблем.

Очевидно, что с уменьшением расстояний между элементами и межсоединениями в кристаллах процессоров увеличивается уровень электромагнитных помех, возрастают токи утечки, растет тепловая нагрузка на узлы и отдельные элементы, составляющие основу ядер процессоров. При этом необходимо отметить, что размеры, которыми оперируют разработчики, быстро приближаются к тем порогам, где все больше сказываются квантовые эффекты, усложняющие процессы проектирования, производства и эксплуатации. Дело в том, что с уменьшением физических размеров элементов, интегрированных в состав кристаллов процессоров, законы, в соответствии с которыми определяется поведение зарядов, все больше отдаляются от классического описания. Достаточно вспомнить, например, туннельный эффект и представить его влияние на работу будущих компактных, многоэлементных, высокочастотных изделий.

Тем не менее, несмотря ни на что, постоянно возникающие проблемы и трудности не останавливают инженерную мысль. В результате интенсивных изысканий появляются новые технологии и изделия.

В результате совершенствования технологического процесса производства полупроводниковых чипов исследователи корпорации Intel создали самую маленькую в мире ячейку памяти стандарта SRAM (Static Random Access Memory — статическая память с произвольной выборкой). Площадь этой ячейки памяти составляет всего 1 квадратный микрон.

Рис. 3. Самая маленькая в мире ячейка памяти стандарта SRAM

Каждая такая ячейка представляет собой структурную компоненту микросхемы памяти. В процессе работ удалось достичь емкости SRAM 52 Мбит.

Созданные микросхемы относятся к числу самых емких из когда-либо созданных микросхем памяти стандарта SRAM, в каждой из которых содержится по 330 млн. транзисторов, расположенных на площади 109 квадратных миллиметров.

Рис. 4. Кристалл самой емкой из когда-либо созданных микросхем памяти стандарта SRAM

Кстати, площадь кристалла созданной микросхемы памяти меньше, чем, например, у десятицентовой монеты. Его размеры хорошо иллюстрирует фото, на которой этот кристалл изображен лежащим на двадцатипятицентовой монете США.

Рис. 5. Кристалл микросхемы памяти SRAM на двадцатипятицентовой монете

Продолжение статьи >>

Перейти к разрелу Процессоры