بررسی معماری پردازنده های Intel Penryn 45nm

اشاره
گفته می‌شود که در کمپانی‌های بزرگ اعمال تغییرات اساسی و سریع جهت حل مشکلات بسیار دشوار است، مانند تغییر مسیر دادن یک کشتی بزرگ در مقایسه با یک قایق کوچک ! شاید هیچ‌ کس پیش‌بینی نمی‌کرد که اینتل به این سرعت تغییر کرده و پروسه ساخت خود را کوچک تر سازد. پس از متحول شدن معماری پردازنده‌های اینتل امروز ما شاهد تحول شگرفی در پروسه ساخت تراشه‌ها توسط اینتل هستیم، در این مقاله قصد داریم به بررسی پروسه‌ساخت 45 نانومتری پردازنده‌های اینتل که به زودی در بازار عرضه ‌خواهند شد بپردازیم...




مقدمه
مطابق Roadmap هایی که اینتل منتشر کرده در سال 2007 پردازنده‌های این شرکت به پروسه ساخت 45 نانومتری کوچ خواهند کرد و مطابق معمول در برنامه‌های اینتل هیچ تاخیری مشاهده نمی‌شود. پردازنده‌های مبتنی بر این پروسه ساخت با نام رمز Penryn تا آخر سال 2007 برای هر سه بازار کامپیوتر‌های همراه، کامپیوترهای شخصی و کامپیوتر‌های سرور ، پردازنده‌هایی مبتنی بر Penryn موجود خواهد بود.




پروسه ساخت 45 نانومتری ، موجب خواهد شد تا سطح هسته پردازنده کوچک تر شده و سرعت آن بیشتر شود ، علاوه بر این مصرف توان و توان اتلاف حرارتی آن نیز نسبت به پروسه ساخت 65 نانومتری فعلی کاهش پیدا خواهد کرد. به بیان دیگر اگر یک هسته 100 میلی‌متر مربعی پردازنده‌ای که با تکنولوژی 65 نانومتری ساخته شده است با تکنولوژی 45 نانومتری سطح آن تقریبا 50 میلی متر مربع خواهد شد .

در گذشته ، اینتل با ارائه کردن تکنولوژی ساخت کوچک تر مجوعه از تکنولوژی‌های دیگر را علاوه بر آن همراه با معماری پردازنده‌های خود می‌کرد ، لذا نباید انتظار داشت که پردازنده های Penryn نیز مشابه Core 2 Duo های فعلی باشد ، شاید حجم حافظه کاشه آن اضافه شود یا دستورالعمل‌های SSE‌ آن توسعه یابد، آنچه که مسلم است معماری Penryn همان معماری معروف اینتل موسم به Core است که در گذشته مفصلا آن را بررسی کردیم. بنابر این هسته این پردازنده‌ها ذاتا Dual Core است و با تکنولوژی‌های قرار دادن چند هسته در یک بسته‌بندی ، میتوان انتظار پردازنده‌های چهار یا هشت هسته‌ای را در خانواده Penryn داشت.

_______بخش اول

داستان تکنولوژی‌ساخت 45 نانومتری اینتل به ذکر مشخصات پردازنده‌های مبتنی بر آن ختم نمی‌شود ، آنچه ما را علاقه‌مند به نوشتن این مقاله کرد پروسه جدید ساخت ترانزیستور‌های در این تکنولوژی بود که رفتار ترانزیستور‌ها را در آن مقیاس کوچک کاراتر و بسیار طبیعی تر می‌کند .

در مقیاس‌های نانومتری ، به هیچ وجه نباید از ترانزیستور ها رفتار طبیعی که در دروس الکترونیکی تدریس می‌شود انتظار داشت ، هنگامی که اندازه ترانزیستور به حدی کوچک می‌شود که با 200 اتم سیکیلون ساخته برابری می‌کند ، رفتار آن به کاملا متفاوت و در برخی موارد خارج از کنترل خواهد شد. (اندازه اتم سیلیکون 0.24 نانومتر است) .

ترانزیستور‌ها در کاربرد دیجیتالی‌شان در داخل پردازنده‌ها در نقش یک کلید ظاهر می‌شوند که دو وضعیت خاموش یا روشن دارند که به ترتیب بیان‌گر منطق صفر و یک هستند . زمانی که ترانزیستور روشن است، جریان اندکی را از خود عبور می‌دهد (در حالت ایده‌آل از پایه سورس به پایه درین) و زمانی که خاموش است این جریان قطع خواهد شد. فراهم کردن سریع جریان کافی، هنگامی‌ که ترانزیستور روشن می‌شود و به حداقل رساندن جریان عبوری در هنگامی که ترانزیستور قطع است یکی از بزرگترین مشکلاتی است که در ساخت ترانزیستور‌های کوچک و کم‌مصرف وجود دارد.

در شکل زیر نمایی از یک ترانزیستور CMOS‌ متداول مشاهده می‌کنید این خانواده از ترانزیستور‌ها به فراوانی در تراشه‌ها و ادوات نیمه‌هادی به کار برده می‌شوند. ولتاژ گیت و سورس در این ترانزیستورها ، بودن یا نبودن جریان در کانال ترانزیستور را مشخص می‌کند.





پروسه‌ساخت 45 نانومتری اینتل در دو بخش الکترود گیت و دی‌الکتریک گیت این ترانزیستور تغییرات اساسی داده است که در ادامه به بررسی آن خواهیم پرداخت.
بخش دوم

در طراحی‌های متداول CMOS الکترود گیت ، از مواد پلی‌استر و عایق نیمه‌هادی موسوم به دی‌الکتریک نیز از دی‌اکسید سیلیکون ساخته می‌شود . این دی‌الکتریک وظیفه ایزوله کردن جریان کانال از جریان گیت را دارد.

جهت کوچک کردن ترانزیستور انتظار می‌رود که تمامی بخش‌های آن با هم کوچک شوند اما برخی از آنها، مانند لایه دی‌الکتریک گیت در صورتی که بیش از اندازه کوچک شوند ، رفتار غیر مقتضی از خود بروز می‌دهند.

در پروسه‌ساخت‌های 90 نانومتری و 65 نانومتری اینتل ، ضخامت لایه دی‌الکتریک گیت به 1.2 نانومتر کاهش یافت این اندازه تقریبا معادل با 5 اتم است، مزیت نازک شدن لایه دی‌الکتریک این است که با بیشتر شدن تاثیر میدانی گیت ، می‌تواند به خوبی جریان کانال را کنترل کرده و جریان نشتی را کم کند.

اما لایه عایق نازک‌تر احتمال تونل‌زدن الکترون‌های گیت و ورود آنها به کانال را افزایش خواهد داد ، در این صورت زمانی که ما انتظار وجود جریان در کانال را نداریم ، الکترون‌های گیت با تونل زدن در عایق نازک میان گیت-کانال، در داخل کانال جریان نشتی ایجاد کرده و توان الکتریکی را هدر می‌دهند.

شاید این مقدار توان هدر رفته برای یک ترانزیستور زیاد به چشم نیاید اما برای 410 میلیون ترانزیسوتری که قرار است در هسته Penryn مجتمع‌سازی شوند، توان الکتریکی قابل ملاحظه ای را هدر خواهد داد.

عرض دی‌الکتریک 1.2 نانومتری در فن‌آوری ساخت‌های 90 و 65 نانومتری به جریان نشتی گیت زیادی را موجب نمی‌شد که اینتل را وادار به مقابله با آن کند اما در تکنولوژی 45 نانومتری ، با نازک‌تر شدن لایه دی‌الکتریک اینتل باید تدبیری برای مرفع کردن این مشکل می‌اندیشید تا ضمن کوچک شدن ترانزیستو و لایه‌دی الکتریک آن جریان نشتی گیت افزایش پیدا نکند .

اینتل برای کاهش جریان نشتی گیت ، دی‌الکتریک SiO2 میان گیت و کانال را که سالها‌ است در ترانزیستور‌های CMOS مورد استفاده قرار می‌گیرد با یک لایه عایلق دیگر که مقدار K (ضریب دی‌الکتریک) بیشتری دارد جایگزین کرده است، این دی‌الکتریک جدید بر پایه عنصر هافنیم (Hf) ساخته شده است.

بهره‌گیری از این ماده جدید به جای SiO2 علاوه بر این که جریان نشتی گیت را کم‌تر کرده است، هدایت جریان کانال را نیز به لطف داشتن مقدار K بالاتر، بهتر کرده است. اینتل مشخص نکرده است که ضخامت این لایه عایق در طراحی جدید چه‌قدر است اما ما می‌دانیم که از عایق سیلیکونی 1.2 نانومتری به کار گرفته شده در پروسه ساخت‌های 90 و 65 نانومتری کوچک‌تر است
بخش سوم

مشکل دومی که اینتل در طراحی ترانزیستور‌های 45 نانومتری با آن برخورد کرد، به ماده پلی‌استری که الکترود گیت از آن ساخته می‌شود مربوط می‌گردد. الکترود گیت در کنتر جریان کانال نقش به سزایی دارد ، در طراحی‌های متداول، بخشی از ناحیه اتصال الکترود با دی‌الکتریک به دلیل به کار بردن ماده پلی‌استری به ناحیه تهی نیمه‌هادی تبدیل می‌شود ، در طراحی‌های 45 نانومتری ، این ناحیه تهی در مقایسه با ضخامت الکترود اینقدر بزرگ خواهد شد که عملا گیت را در کنترل جریان کانال محدود می‌سازد. در تصویر زیر می‌توانید ناحیه تهی ایجاد شده در انتهای الکترود گیت را مشاهده کنید :




در پروسه ساخت 45 نانومتری اینتل جهت مرتفع کردن این مشکل ، الکترود پلی‌استری با یک الکترود فلزی جایگزین شده است، به این ترتیب دیگر در محل اتصال ناحیه تهی به وجود نخواهد آمد و گیت ترانزیستور می‌تواند به خوبی جریان کانال را کنترل کند .


اینتل سال‌ها بر روی ترانزیستور‌هایی با ضریب‌دی‌اکتریک بالا (High-K) و الکترود گیت فلزی (Metal Gate) تحقیق کرده تا بهترین مواد را برای ساخت آن پیدا کند، به همین خاطر از مشخص کردن دقیق این که چه ماده ای را در ترانزیستور‌های 45 نانومتری خود موسوم به ترانزیستور‌های HK+MG به کاربرده امتناع می‌کند تا ماحاصل این تحقیقات را محفوظ داشته و تا زمانی که سایر رقبا به آن پی نبرده اند از ویژگی‌های منحصر به فرد آنها استفاده کنند.

اینتل انتظار دارد تا زمانی که پروسه ساخت تراشه‌هایش به 32 نانومتر نرسیده، سایر کمپانی‌ها ترانزیستور HK+MG را در اختیار نداشته باشند، اما این در حالی است که در خبر‌ها گفته شده IBM با همکاری AMD تحقیقات خود را بر روی ترانزیستور‌های HK-MG را آغاز کرده اند.
بخش چهارم
در تصویر می‌توانید اجزای تشکیل دهنده یک ترانزیستور HK+MG را با یک ترانزیستور متداول CMOS مقایسه کنید :




ویژگی‌های ترانزیستور‌های HK+MG در پروسه ساخت 45 نانومتری بسیار زیاد است، به گفته اینتل، انتقال پروسه ساخت از 65 نانومتر به 45 نانومتر به لطف به کار گیری ترانزیستور‌های HK+MG و کوچکتر شدن طول آنها ، توان الکتریکی لازم برای سوییچ کردن ترانزیستور 30% کاهش یافته است، چرا که ترانزیستور کوچک‌تر دارای ظرفیت‌خازنی کمتر و در نتیجه نیاز به انرژی کمتری جهت تغییر حالت خود دارد.


همچنین اینتل ادعا می‌کند که سرعت سوییچینگ ترانزیستور‌های 45 نانومتری 20% بیشتر از ترانزیستور‌های 65 نانومتری شده، و در سرعت برابر ، جریان نشتی سورس-درین 5 برابر کاهش یافته است، همچنین به لطف بهره گیری از دی‌الکتریک قوی‌تر جریان نشتی گیت نیز 10 برابر کاهش یافته است .

در نتیجه می‌توان انتظار داشت پردازنده‌های مبتنی بر پروسه ساخت 45 نانومتری که در پایان سال جاری عرضه خواهند شد، پردازنده‌های کم‌مصرف تر و سریع‌تری نسبت به پیشینیان خود باشند.بخش پایانی
Penryn جانشین ‍Conroe

امروز اینتل اعلام کرده که اولین نسخه پردازنده‌های ساخته شده توسط ترانزیستور های HK+MG به خوبی در آزمایش‌ها خود را نشان داده است و چهار سیستم عامل Windows Vista ، Windows XP ، Linux و Mac OS X را بر اجرا کرده است . تصویر زیر، تیم ارزیابی اینتل پس از اینکه با موفقیت سیستم‌عامل‌های مذکور را روی پردازنده جدید بوت کرده اند نشان می‌دهد .


نمایی از هسته Penryn را میتوانید در تصویر زیر مشاهده کنید، همانطور که مشاهده می‌کنید Penryn دارای دو هسته می‌باشد و گفته می‌شود از 410 میلیون ترانزیستور تشکیل شده است این در حالی است که Conroe حدود 294 میلیون ترانزیستور دارد. پیش بینی می‌شود این تراشه حداقل 6 مگابایت حافظه کاشه اشتراکی داشته باشد در حالی که Conroe چهار مگابایت حافظه کاشه اشتراکی دارد.

در نیمه دوم سال جاری میلادی خط تولید نخستین نسخه‌های Penryn بر روی ویفر‌های 300 میلی‌متر مربعی در دو Fab اینتل آغاز به کار خواهد کرد، این دو Fab عبارتند از D1D مستقر در oregon و Fab 32 مستقر در Arizona در اواسط سال 2008 نیز Fab 28 مستقر در اسرائیل، به جمع تولید کنندگان Penryn خواهد پیوست.


  
نویسنده : ali gooliof ; ساعت ۳:٠۳ ‎ق.ظ روز ۱۳۸٧/٢/٧
تگ ها :