Rudometov.COM

Мобильные решения Intel

Разработкой и выпуском процессоров Mobile Pentium III-M, созданных на основе ядра Tualatin, фирма Intel упрочила свое положение на рынке мобильных решений. Однако для этого ее разработчикам пришлось решить целый комплекс непростых проблем, включая освоение новейшего технологического процесса и разработку соответствующих специализированных наборов системной логики.

В условиях жесткой конкурентной борьбы и глубокого кризиса, охватившего отрасли промышленности высоких технологий, компьютерные компании продолжают разработку и выпуск перспективных изделий. К этим изделиям относятся в первую очередь новейшие производительные процессоры, составляющие основу современных компьютеров. Необходимо отметить, что их архитектуры находятся в состоянии перманентных изменений, вызванных непрерывным внедрением перспективных решений. При этом, несмотря на возрастающее давление конкурентов, лидирующее положение в этих работах продолжает сохранять компания Intel. Как известно, она обладает высококвалифицированными специалистами, работа которых подкреплена технологическими, производственными и финансовыми ресурсами гиганта компьютерной индустрии. Однако, несмотря на все перечисленное, даже у такого гиганта имеется целый ряд проблем, порожденных внедрением технологий и выпуском на их основе новейших изделий, таких, например, как производительные процессоры и связанные с ними чипсеты.

Ни для кого не секрет, что ставшая традиционной архитектура процессоров P6, основанная на использовании технологического процесса 0,18 мкм, практически достигла своего предела. Для Pentium III с ядром Coppermine этот предел находится где-то в районе 1,2–1,4 ГГц.

В корректности указанной оценки легко убедиться, анализируя, например, результаты форсирования работы — "разгон" (overclocking) моделей процессоров с разной рабочей частотой из данной линейки изделий. Действительно, в процессе перебора представителей модельного ряда Coppermine, от младших моделей к старшим, наблюдается постепенное снижение технологического и архитектурного запаса, делающим возможным разгон процессоров. Снижение данного ресурса и свидетельствует о наличии указанного предела. Аппроксимация же результатов и приводит к упомянутой оценке 1,2–1,4 ГГц.

К сожалению, ограничение роста вычислительной мощности процессоров данного ряда является не единственной проблемой. Приближение к технологическому пределу приводит к низкому выходу годных кристаллов и, соответственно, к росту себестоимости для верхних моделей процессоров, рабочие частоты которых уже достигли указанного предела. Кроме того, 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 развитие указанного ряда процессоров, созданных на основе ядра Coppermine (0,18 мкм).

Выход из создавшегося положения заключается либо в кардинальном изменении архитектуры ядер процессоров, либо в совершенствовании технологических процессов. Очевидно, что работы по совершенствованию технологии должны быть направлены в первую очередь на уменьшение размеров элементов на кристаллах процессоров и снижение напряжений питания их внутренних структур.

Специалисты Intel пошли обоими путями. Например, для Pentium 4 была создана архитектура NetBurst, которая допускает масштабирование в широких пределах, обеспечивающее выпуск все более высокочастотных, а следовательно, и более производительных моделей. Усовершенствование же технологического процесса производства процессоров позволило на основе предыдущей разработки Coppermine создать новое ядро Tualatin, ставшее основой, в первую очередь, новых, высокопроизводительных процессоров мобильного ряда, пришедших на смену предыдущим изделиям.

Новый технологический процесс 0,13 мкм (130 нанометров) обеспечивает существенное уменьшение размеров кристаллов процессоров, что позволяет при увеличении рабочих частот до нескольких гигагерц (ГГц) снизить напряжение питания ядра до 1,4 В и ниже, его энергопотребление и, соответственно, тепловыделение. Этот технологический процесс позволил создать процессоры, основанные на использовании транзисторов с шириной затвора 70 нанометров (нм) и толщиной оксидного слоя затвора 1,5 нм (для будущих разработок уже созданы транзисторы с толщиной затвора 0,8 нм). Кроме того, уменьшение размеров кристаллов почти вдвое увеличивает выход их с одной стандартной кремниевой пластины диаметром 200 мм, что уменьшает себестоимость, а следовательно, и цену конечных изделий.

Но разработчики и производственники пошли еще дальше. Они не только усовершенствовали технологический процесс производства современных микросхем, состоящих уже из десятков миллионов элементов (в ближайшее время этот показатель превысит 100 млн), но и перешли от кремниевых пластин размером 200 мм к пластинам 300 мм. Это позволило при использовании технологического процесса 0,13 мкм увеличить вчетверо количество процессоров по сравнению с предыдущим техпроцессом 0,18 мкм и пластинами 200 мм. Себестоимость кристаллов, изготовленных на 300-миллиметровых пластинах, по меньшей мере, на 30 % ниже, чем на 200-миллиметровых. При этом в расчете на одну готовую микросхему затрачивается на 40 % меньше энергии и воды, что улучшает не только экономические показатели, но и способствует решению экологических проблем.

Эволюция мобильных процессоров Intel

В дополнение к указанным достижениям конструкторов и технологов были использованы межсоединения на основе шести слоев двухслойных медных проводников при большом отношении толщины проводников к ширине (1,6:1). Это обеспечивает уменьшение электрического сопротивления при высокой плотности размещения. Кроме того, в производстве новейших микросхем и процессоров были использованы также межсоединения и изоляторы с малой диэлектрической проницаемостью.

Емкость соединительных проводников удается уменьшить благодаря применению в качестве изолирующего материала легированного фтором диоксида кремния (SiO2), имеющего малую диэлектрическую проницаемость (3,6). Из диэлектрика с малой величиной диэлектрической проницаемости выполнена и изоляция между слоями металлизации кристалла процессора. Как известно, хорошее качество изоляции позволяет минимизировать уровень взаимных помех между электрическими сигналами.

Очевидно, что с уменьшением расстояний между элементами и межсоединениями в кристаллах процессоров увеличивается уровень помех, возрастают токи утечки, растет тепловая нагрузка на узлы и отдельные элементы, составляющие основу ядер. Данные проблем ы носят объективный характер. Их существование объясняется происходящими в полупроводниках процессами, оперирующими элементами, размеры которых стремительно уменьшаются. Более того, они быстро приближаются к тем порогам, где все больше сказываются квантовые эффекты, усложняющие процессы проектирования, производства и эксплуатации.

Однако совершенствованием справились с указанными проблемами. В результате усилий конструкторов удалось увеличить производительность изделий: большое быстродействие транзисторов и высокая эффективность межсоединений в 130 нм технологическом процессе позволили увеличить быстродействие интегральных микросхем на 65 % по сравнению с уровнем, который обеспечивает технология 180 нм.

Все это позволило наладить выпуск процессоров с ядром, получившим наименование Tualatin. Первые модели процессоров с ядром Tualatin имеют в своем составе кэш-память второго уровня L2 объемом 512 Кбайт, интегрированную непосредственно в кристалл, и ориентированы исключительно на мобильные решения. Конечный продукт получил наименование Mobile Pentium III или Pentium III-М.

Продолжение статьи >>

Перейти к разрелу Процессоры