Введение в 32-НМ производственную технологию

Основываясь на ошеломляющем успехе 45-нм производственного процесса с диэлектриками high-k и транзисторами с металлическими затворами, корпорация Intel готовится к запуску 32-нм производственной технологии, в которой будут использоваться диэлектрики high-k и транзисторы с металлическими затворами второго поколения. Эта передовая технология станет основой новой микроархитектуры Westmere, 32-нм версии микроархитектуры Intel® под кодовым наименованием Nehalem. Планируется выпуск продукции с микроархитектурой Westmere для следующих сегментов: мобильные, настольные системы и серверы. Intel стала первой компанией, которая продемонстрировала полностью функционирующие 32-нм процессоры. В соответствии с планом корпорации по созданию инновационной продукции, эта модель получила название «тик-так» – каждые 2 года попеременно внедряются новые поколения передовых производственных технологий и разрабатывается новая микроархитектура процессоров.

Чтобы понять значимость 32-нм технологии, вспомним особенности 45-нм процесса и транзисторов с диэлектриками high-k и металлическими затворами.

Чтобы лучше оценить значение 32-нм производственной технологии, будет полезно оглянуться в прошлое и вспомнить 2007 год, когда впервые был представлен 45-нм производственный процесс. Производственный процесс, которому было присвоено внутреннее название P1266, позволил Intel освоить выпуск процессоров на базе успешной высокопроизводительной микроархитектуры Nehalem.
В процессе P1266 впервые применялись транзисторы с диэлектриками high-k и металлическими затворами, которые представляли собой настоящий технический прорыв. Эти транзисторы обладают более высокой производительностью и имеют малый ток утечки. После освоения процесса P1266 корпорация Intel дала обещание оперативно наладить серийный выпуск 45-нм процессоров. Оно выполнено, и сегодня Intel – единственная компания, производящая 45-нм микросхемы с транзисторами с диэлектриками high-k и металлическими затворами.
Переход 45-нм процесса на стадию промышленной эксплуатации был самым быстрым в истории Intel. Производство 45-нм процессоров было организовано в два раза быстрее по сравнению с производством 65-нм технологии в первый год ее появления. Сегодня производится самая разнообразная 45-нм продукция, предназначенная для различных сегментов. По 45-нм производственной технологии выпускаются одноядерные процессоры Intel® Atom™, двухъядерные Intel® Core™2 Duo, четырехъядерные Intel® Core™ i7 и шестиядерные процессоры Intel® Xeon® серии 7500.

Очередное достижение Intel – внедрение 32-нм производственной технологии с диэлектриками high-k и металлическими затворами второго поколения.

Основа 32-нм технологии – транзисторы с диэлектриками high-k и металлическими затворами второго поколения. В них реализовано множество усовершенствований по сравнению с первым поколением транзисторов с диэлектриками high-k и металлическими затворами. Эквивалентная толщина оксидного слоя диэлектриков high-k уменьшилась с 1,0 нм (45-нм процесс) до 0,9 нм (32-нм процесс). При этом длина затвора сократилась до 30 нм. Шаг затвора транзистора продолжает уменьшаться в 0,7 раза каждые два года. 32-нм технология позволяет создавать транзисторы с самым маленьким шагом затвора в отрасли.
В 32-нм процессе используются те же самые основные технологические операции по осаждению металла на затворе, что и в 45-нм технологии, поэтому можно применять наработки, хорошо себя зарекомендовавшие в существующем крайне успешном производстве. Эти усовершенствования являются важнейшим условием для уменьшения размеров интегральных схем и повышения быстродействия транзисторов. 32-нм производственная технология с транзисторами с диэлектриками high-k и металлическими затворами второго поколения позволяет разработчикам одновременно оптимизировать размеры и производительность кристаллов.
Благодаря уменьшению толщины оксидного слоя и длины затвора скорость срабатывания транзисторов выросла более чем на 22%. Эти транзисторы рассчитаны на самый большой управляющий ток и имеют самый миниатюрный затвор в отрасли. Величину тока утечки также можно оптимизировать. У новых транзисторов утечка снижена более чем в 5 раз по сравнению с 45-нм NMOS-транзисторами и более чем в 10 раз по сравнению с PMOS-транзисторами. Это позволяет проектировать более компактные микросхемы, обладающие улучшенным соотношением «цена/производительность». В 32-нм процессе также используется технология напряженного кремния четвертого поколения, позволяющая повысить быстродействие транзисторов – у корпорации Intel было время и возможности для внедрения существенных усовершенствований.

На примере 32-нм микросхемы статической памяти была продемонстрирована жизнеспособность процесса и в очередной раз подтверждена актуальность закона Мура.

Опытный образец 32-нм микросхемы памяти SRAM был впервые продемонстрирован в сентябре 2007 года и стал не только доказательством жизнеспособности этого производственного процесса, но и очередным подтверждением справедливости закона Мура. Перейдя на 32-нм технологию, корпорация Intel получила возможность уменьшить размер ячейки с 0,356 мкм2 (45-нм процесс) до 0,171 мкм2 (32-нм процесс).
Если вспомнить предыдущие реализации производственных технологий, станет понятно, что Intel продолжает свой курс по уменьшению размеров транзисторов на 50% каждые два года. При этом удваивается плотность транзисторов на кристалле. Исключительная сложность и крошечные размеры опытного образца микросхемы также свидетельствуют об устойчивости производственной технологии. Экспериментальная микросхема достаточно сложна (более 1,9 млрд транзисторов), имеет большую емкость (291 Мбит) и высокое быстродействие (работает на частоте 4 ГГц). Она является отличным «испытательным стендом» для отладки технологии – увеличения выхода годных изделий, повышения производительности и надежности – в процессе подготовки к выпуску 32-нм процессоров.


График роста процента выхода годных изделий, выпускаемых по 32-нм технологии, в точности повторяет картину, наблюдавшуюся при подготовке 45-нм процесса к промышленной эксплуатации.

Корпорация Intel очень гордится организацией подготовки 45-нм процесса P1266 к серийному производству и достигнутым высоким процентом выхода годной продукции. При освоении 45-нм технологии Intel удалось быстро добиться снижения числа дефектов. Этот результат был достигнут несмотря на то, что внедрялись сложнейшие производственные процессы и новая технология. Теперь 45-нм процесс P1266 считается самым надежным.
Динамика роста процента выхода годных изделий, выпускаемых по 32-нм технологии, точно соответствует показателям, достигнутым при чрезвычайно успешном внедрении 45-нм процесса, или даже превышает их. Темпы снижения плотности дефектов в настоящее время повторяют картину, наблюдавшуюся два года назад при освоении 45-нм технологии, и Intel очень надеется, что к 4-му кварталу 2009 г., когда начнется выпуск процессоров, уменьшится частота появления дефектов и повысится выход готовой продукции.
Intel в течение следующих двух лет подготовит четыре завода к переходу на выпуск процессоров по 32-нм технологии. Фабрика D1D (Орегон) уже функционирует, фабрика D1C (Орегон) к 4-му кварталу 2009 г. будет удовлетворять требованиям к производству 32-нм продукции. В 2010 году Intel модернизирует еще два предприятия: Fab 32 (Аризона) и Fab 11X (Нью-Мехико).

32-нм производственная технология с транзисторами с диэлектриками high-k и металлическими затворами второго поколения позволит выпускать процессоры и другие вычислительные компоненты мирового класса.

Westmere – первое семейство процессоров, которые будут выпускаться по 32-нм технологии. Эти CPU (32-нм версия микроархитектуры Nehalem) будут доступны для разных сегментов. Эта стратегия ступенчатого развития известна как модель Intel «тик-так». Новаторская микроархитектура «обкатывается» на текущем производственном процессе, затем переносится на новую производственную технологию. 45-нм продукты на базе Nehalem («так») представляли во многом новую процессорную архитектуру и исполнение, и их выпуск был начат по 45-нм производственной технологии, уже находившейся в промышленной эксплуатации. Процессоры на базе Westmere («тик» — начало производства запланировано на 4-й квартал 2009 г.) – следующий этап. Эти более компактные, быстродействующие и экономичные 32-нм процессоры реализованы на базе существующей микроархитектуры.
С началом выпуска процессоров на базе Westmere микроархитектура Intel® под кодовым наименованием Nehalem станет доступной для систем массовой категории. Процессоры на базе Westmere будут иметь более высокую производительность (по сравнению с семейством 45-нм процессоров на базе микроархитектуры Intel® Core™) и ядро меньшего размера. Они станут основой многокристальных модулей (Multi-Chip Package, MCP) с графическим, интегрированном в CPU.


Успешная реализация 32-нм производственного процесса и высокая стабильность продукции позволили Intel ускорить начало выпуска микропроцессоров на базе новой технологии для настольных и мобильных систем.

Со временем, после внедрения 32-нм производственного процесса, начнется выпуск процессоров Intel на базе микроархитектуры под кодовым наименованием Westmere для сегментов мобильных, настольных систем и серверов. По планам выпуска продукции следом за 45-нм четырехъядерными процессорами Intel® Core™ i7 и Intel® Core™ i7 Extreme, поддерживающими восемь потоков инструкций, появятся их 32-нм версии под кодовым наименованием Gulftown, предназначенные для профессиональных настольных вычислительных систем. Для сегментов высокопроизводительных и массовых настольных ПК к 45-нм процессорам под кодовым наименованием Lynnfield (4 ядра и 8 вычислительных потоков) добавятся 32-нм процессоры под кодовым наименованием Clarkdale (2 ядра/4 потока), а также процессоры Clarkdale со встроенной графической системой.
Мобильные вычисления: в сегменте Mobile Extreme останутся 45-нм процессоры под кодовым наименованием Clarksfield (4 ядра/8 потоков), а в сегментах высокопроизводительных и массовых систем произойдет переход на 32-нм процессоры под кодовым наименованием Arrandale (2 ядра/4 потока), начало выпуска которых намечено на 4-й квартал 2009 г.
Мы планируем переход на 32-нм производственную технологию во всех основных сегментах серверных процессоров Intel® Xeon®. В сегменте серверов начального уровня будут использоваться процессоры Clarkdale сразу после начала их выпуска для настольных систем. Сегмент «эффективной производительности» (процессоры Intel® Xeon® серии 5000) в будущем будет переведен с 45-нм процессоров Nehalem-EP на 32-нм процессоры на базе Westmere. Сегмент «расширяемых систем» (процессоры Intel® Xeon® серии 7000) в будущем также будет переведен с 45-нм процессоров Nehalem-EX на 32-нм процессоры на базе Westmere.

Значительные изменения в сегменте клиентских платформ массовой категории: увеличение производительности и снижение энергопотребления за счет повышения степени интеграции.

32-нм процессоры для клиентских систем будут отличаться не только более высокой производительностью и меньшими размерами кристалла. Массовые клиентские платформы претерпят значительные изменения с появлением новых процессоров Clarkdale и Arrandale.
ПК массовой категории строятся на базе решения из трех микросхем: процессора и «Северного моста», включающего интегрированную графику, контроллер памяти, устройство индикации и устройство управления (Manageability Engine) на базе технологии Intel® vPro™. Третья микросхема – «Южный мост» (ICH), который главным образом отвечает за управление функциями ввода/вывода.
В клиентских системах на базе Westmere интегрированная графическая подсистема и контроллер памяти будут размещаться в корпусе процессора в многокристальном модуле. Графический адаптер и контроллер памяти будут реализованы на 45-нм кристалле, смонтированном в общем корпусе с 32-нм кристаллом процессора. В будущем появится вторая микросхема, которая будет включать устройство управления на базе Intel® vPro, контроллер ввода/вывода и устройство индикации. Эта новая микросхема для будущих 45-нм и 32-нм процессоров будет называться «набор микросхем Intel® серии 5».

Благодаря реализации новых инструкций 32-нм микроархитектура Westmere не будет просто «уменьшенной копией» Nehalem.

Цель этапов «тик» в производственной модели «тик-так» – перенос существующей процессорной микроархитектуры на процессоры, компоненты которых имеют меньший размер. Обычно при переходе на новую производственную технологию процессор подвергается небольшой модернизации (если это целесообразно). Процессоры на базе Westmere являются исключением из этого правила: в них добавлены новые инструкции микрокода, а также новые аппаратные функции для улучшения управления питанием.

В процессорах Westmere будут реализованы новые инструкции для ускорения выполнения алгоритмов шифрования и расшифровки. Эти шесть новых инструкций соответствуют криптографическому стандарту Advanced Encryption Standard (AES), и они найдут широкое применение в корпоративных вычислительных средах. Например, можно будет разрабатывать ПО, использующее аппаратную реализацию алгоритма AES для шифрования всего содержимого жесткого диска.

Начинается эра 32-нм производственного процесса с транзисторами с диэлектриками high-k и металлическими затворами второго поколения/

Intel готовится к переводу вычислительной отрасли на 32-нм производственную технологию. Первым шагом в этом направлении станет выпуск процессоров на базе Westmere, 32-нм версии успешной микроархитектуры Nehalem. Начало выпуска этих процессоров запланировано на 4-й квартал 2009 г. 32-нм производственный процесс в сочетании с более быстродействующими и энергоэффективными транзисторами с диэлектриками high-k и металлическими затворами второго поколения позволит создавать процессоры с более высокой производительностью и более низким энергопотреблением, подтверждающие справедливость закона Мура.
Первые продукты на базе Westmere будут предназначены для сегмента клиентских систем и будут включать двухъядерные процессоры с четырьмя вычислительными потоками: Clarkdale (для настольных ПК) и Arrandale (для мобильных ПК). Затем начнется выпуск серверной продукции, расширяющей возможности процессоров Nehalem-EX и Nehalem-EP. Эти новые продукты будут обладать повышенной производительностью при тех же самых показателях тепловыделения, в них будут реализованы усовершенствованные функции управления питанием, а также новые инструкции для ускорения выполнения алгоритмов шифрования и расшифровки.
Intel занимается подготовкой 32-нм производственной технологии к промышленной эксплуатации, начало которой запланировано на 4-й квартал 2009 г.