بررسی معماری پردازنده های Intel Penryn 45nm

[ocz]

این مجموعه مقاله ، پیش از عرضه ی عمومی این سری از پردازنده های اینتل تالیف شده است.منبع :

برای مشاهده محتوا ، لطفا وارد شوید یا ثبت نام کنید

اشاره
گفته مي‌شود كه در كمپاني‌هاي بزرگ اعمال تغييرات اساسي و سريع جهت حل مشكلات بسيار دشوار است، مانند تغيير مسير دادن يك کشتی بزرگ در مقايسه با يك قايق كوچك ! شايد هيچ‌ كس پيش‌بيني نمي‌كرد كه اينتل به اين سرعت تغيير كرده و پروسه ساخت خود را كوچك تر سازد. پس از متحول شدن معماري پردازنده‌هاي اينتل امروز ما شاهد تحول شگرفي در پروسه ساخت تراشه‌ها توسط اينتل هستيم، در اين مقاله قصد داريم به بررسي پروسه‌ساخت 45 نانومتري پردازنده‌هاي اينتل كه به زودي در بازار عرضه ‌خواهند شد بپردازيم...




مقدمه
مطابق Roadmap هايي كه اينتل منتشر كرده در سال 2007 پردازنده‌هاي اين شركت به پروسه ساخت 45 نانومتري كوچ خواهند كرد و مطابق معمول در برنامه‌هاي اينتل هيچ تاخيري مشاهده نمي‌شود. پردازنده‌هاي مبتني بر اين پروسه ساخت با نام رمز Penryn تا آخر سال 2007 براي هر سه بازار كامپيوتر‌هاي همراه، كامپيوترهاي شخصي و كامپيوتر‌هاي سرور ، پردازنده‌هايي مبتني بر Penryn موجود خواهد بود.




پروسه ساخت 45 نانومتري ، موجب خواهد شد تا سطح هسته پردازنده كوچك تر شده و سرعت آن بيشتر شود ، علاوه بر اين مصرف توان و توان اتلاف حرارتي آن نيز نسبت به پروسه ساخت 65 نانومتري فعلي كاهش پيدا خواهد كرد. به بيان ديگر اگر يك هسته 100 ميلي‌متر مربعي پردازنده‌اي كه با تكنولوژي 65 نانومتري ساخته شده است با تكنولوژي 45 نانومتري سطح آن تقريبا 50 ميلي متر مربع خواهد شد .

در گذشته ، اينتل با ارائه كردن تكنولوژي ساخت كوچك تر مجوعه از تكنولوژي‌هاي ديگر را علاوه بر آن همراه با معماري پردازنده‌هاي خود مي‌كرد ، لذا نبايد انتظار داشت كه پردازنده هاي Penryn نيز مشابه Core 2 Duo هاي فعلي باشد ، شايد حجم حافظه كاشه آن اضافه شود يا دستورالعمل‌هاي SSE‌ آن توسعه يابد، آنچه كه مسلم است معماري Penryn همان معماري معروف اينتل موسم به Core است كه در گذشته مفصلا آن را بررسي كرديم. بنابر اين هسته اين پردازنده‌ها ذاتا Dual Core است و با تكنولوژي‌هاي قرار دادن چند هسته در يك بسته‌بندي ، ميتوان انتظار پردازنده‌هاي چهار يا هشت هسته‌اي را در خانواده Penryn داشت.

[ocz]

داستان تكنولوژي‌ساخت 45 نانومتري اينتل به ذكر مشخصات پردازنده‌هاي مبتني بر آن ختم نمي‌شود ، آنچه ما را علاقه‌مند به نوشتن اين مقاله كرد پروسه جديد ساخت ترانزيستور‌هاي در اين تكنولوژي بود كه رفتار ترانزيستور‌ها را در آن مقياس كوچك كاراتر و بسيار طبيعي تر مي‌كند .

در مقياس‌هاي نانومتري ، به هيچ وجه نبايد از ترانزيستور ها رفتار طبيعي كه در دروس الكترونيكي تدريس مي‌شود انتظار داشت ، هنگامي كه اندازه ترانزيستور به حدي كوچك مي‌شود كه با 200 اتم سيكيلون ساخته برابري مي‌كند ، رفتار آن به كاملا متفاوت و در برخي موارد خارج از كنترل خواهد شد. (اندازه اتم سيليكون 0.24 نانومتر است) .

ترانزيستور‌ها در كاربرد ديجيتالي‌شان در داخل پردازنده‌ها در نقش يك كليد ظاهر مي‌شوند كه دو وضعيت خاموش يا روشن دارند كه به ترتيب بيان‌گر منطق صفر و يك هستند . زماني كه ترانزيستور روشن است، جريان اندكي را از خود عبور مي‌دهد (در حالت ايده‌آل از پايه سورس به پايه درين) و زماني كه خاموش است اين جريان قطع خواهد شد. فراهم كردن سريع جريان كافي، هنگامي‌ كه ترانزيستور روشن مي‌شود و به حداقل رساندن جريان عبوري در هنگامي كه ترانزيستور قطع است يكي از بزرگترين مشكلاتي است كه در ساخت ترانزيستور‌هاي كوچك و كم‌مصرف وجود دارد.

در شكل زير نمايي از يك ترانزيستور CMOS‌ متداول مشاهده مي‌كنيد اين خانواده از ترانزيستور‌ها به فراواني در تراشه‌ها و ادوات نيمه‌هادي به كار برده مي‌شوند. ولتاژ گيت و سورس در اين ترانزيستورها ، بودن يا نبودن جريان در كانال ترانزيستور را مشخص مي‌كند.





پروسه‌ساخت 45 نانومتري اينتل در دو بخش الكترود گيت و دي‌الكتريك گيت اين ترانزيستور تغييرات اساسي داده است كه در ادامه به بررسی آن خواهيم پرداخت.

[ocz]

در طراحي‌هاي متداول CMOS الكترود گيت ، از مواد پلي‌استر و عايق نيمه‌هادي موسوم به دي‌الكتريك نيز از دي‌اكسيد سيليكون ساخته مي‌شود . اين دي‌الكتريك وظيفه ايزوله كردن جريان كانال از جريان گيت را دارد.

جهت كوچك كردن ترانزيستور انتظار مي‌رود كه تمامي بخش‌هاي آن با هم كوچك شوند اما برخي از آنها، مانند لايه دي‌الكتريك گيت در صورتي كه بيش از اندازه كوچك شوند ، رفتار غير مقتضي از خود بروز مي‌دهند.

در پروسه‌ساخت‌هاي 90 نانومتري و 65 نانومتري اينتل ، ضخامت لايه دي‌الكتريك گيت به 1.2 نانومتر كاهش يافت اين اندازه تقريبا معادل با 5 اتم است، مزيت نازك شدن لايه دي‌الكتريك اين است كه با بيشتر شدن تاثير ميداني گيت ، مي‌تواند به خوبي جريان كانال را كنترل كرده و جريان نشتي را كم كند.

اما لايه عايق نازك‌تر احتمال تونل‌زدن الكترون‌هاي گيت و ورود آنها به كانال را افزايش خواهد داد ، در اين صورت زماني كه ما انتظار وجود جريان در كانال را نداريم ، الكترون‌هاي گيت با تونل زدن در عايق نازك ميان گيت-كانال، در داخل كانال جريان نشتي ايجاد كرده و توان الكتريكي را هدر مي‌دهند.

شايد اين مقدار توان هدر رفته براي يك ترانزيستور زياد به چشم نيايد اما براي 410 ميليون ترانزيسوتري كه قرار است در هسته Penryn مجتمع‌سازي شوند، توان الكتريكي قابل ملاحظه اي را هدر خواهد داد.

عرض دي‌الكتريک 1.2 نانومتري در فن‌آوري ساخت‌هاي 90 و 65 نانومتري به جريان نشتي گيت زيادي را موجب نمي‌شد كه اينتل را وادار به مقابله با آن كند اما در تكنولوژي 45 نانومتري ، با نازك‌تر شدن لايه دي‌الكتريك اينتل بايد تدبيري براي مرفع كردن اين مشكل مي‌انديشيد تا ضمن كوچك شدن ترانزيستو و لايه‌دي الكتريك آن جريان نشتي گيت افزايش پيدا نكند .

اينتل براي كاهش جريان نشتي گيت ، دي‌الكتريك SiO2 ميان گيت و كانال را كه سالها‌ است در ترانزيستور‌هاي CMOS مورد استفاده قرار مي‌گيرد با يك لايه عايلق ديگر كه مقدار K (ضريب دي‌الكتريك) بيشتري دارد جايگزين كرده است، اين دي‌الكتريك جديد بر پايه عنصر هافنيم (Hf) ساخته شده است.

بهره‌گيري از اين ماده جديد به جاي SiO2 علاوه بر اين كه جريان نشتي گيت را كم‌تر كرده است، هدايت جريان كانال را نيز به لطف داشتن مقدار K بالاتر، بهتر كرده است. اينتل مشخص نكرده است كه ضخامت اين لايه عايق در طراحي جديد چه‌قدر است اما ما مي‌دانيم كه از عايق سيليكوني 1.2 نانومتري به كار گرفته شده در پروسه ساخت‌هاي 90 و 65 نانومتري كوچك‌تر است

[ocz]

مشكل دومي كه اينتل در طراحي ترانزيستور‌هاي 45 نانومتري با آن برخورد كرد، به ماده پلي‌استري كه الكترود گيت از آن ساخته مي‌شود مربوط مي‌گردد. الكترود گيت در كنتر جريان كانال نقش به سزايي دارد ، در طراحي‌هاي متداول، بخشي از ناحيه اتصال الكترود با دي‌الكتريك به دليل به كار بردن ماده پلي‌استري به ناحيه تهي نيمه‌هادي تبديل مي‌شود ، در طراحي‌هاي 45 نانومتري ، اين ناحيه تهي در مقايسه با ضخامت الكترود اينقدر بزرگ خواهد شد كه عملا گيت را در كنترل جريان كانال محدود مي‌سازد. در تصوير زير مي‌توانيد ناحيه تهي ايجاد شده در انتهاي الكترود گيت را مشاهده كنيد :




در پروسه ساخت 45 نانومتري اينتل جهت مرتفع كردن اين مشكل ، الكترود پلي‌استري با يك الكترود فلزي جايگزين شده است، به اين ترتيب ديگر در محل اتصال ناحيه تهي به وجود نخواهد آمد و گيت ترانزيستور مي‌تواند به خوبي جريان كانال را كنترل كند .

اينتل سال‌ها بر روي ترانزيستور‌هايي با ضريب‌دي‌اكتريك بالا (High-K) و الكترود گيت فلزي (Metal Gate) تحقيق كرده تا بهترين مواد را براي ساخت آن پيدا كند، به همين خاطر از مشخص كردن دقيق اين كه چه ماده اي را در ترانزيستور‌هاي 45 نانومتري خود موسوم به ترانزيستور‌هاي HK+MG به كاربرده امتناع مي‌كند تا ماحاصل اين تحقيقات را محفوظ داشته و تا زماني كه ساير رقبا به آن پي نبرده اند از ويژگي‌هاي منحصر به فرد آنها استفاده كنند.

اينتل انتظار دارد تا زماني كه پروسه ساخت تراشه‌هايش به 32 نانومتر نرسيده، ساير كمپاني‌ها ترانزيستور HK+MG را در اختيار نداشته باشند، اما اين در حالي است كه در خبر‌ها گفته شده IBM با همكاري AMD تحقيقات خود را بر روي ترانزيستور‌هاي HK-MG را آغاز كرده اند.

[ocz]

در تصوير مي‌توانيد اجزاي تشكيل دهنده يك ترانزيستور HK+MG را با يك ترانزيستور متداول CMOS مقايسه كنيد :




ويژگي‌هاي ترانزيستور‌هاي HK+MG در پروسه ساخت 45 نانومتري بسيار زياد است، به گفته اينتل، انتقال پروسه ساخت از 65 نانومتر به 45 نانومتر به لطف به كار گيري ترانزيستور‌هاي HK+MG و كوچكتر شدن طول آنها ، توان الكتريكي لازم براي سوييچ كردن ترانزيستور 30% كاهش يافته است، چرا كه ترانزيستور كوچك‌تر داراي ظرفيت‌خازني كمتر و در نتيجه نياز به انرژي كمتري جهت تغيير حالت خود دارد.

همچنين اينتل ادعا مي‌كند كه سرعت سوييچينگ ترانزيستور‌هاي 45 نانومتري 20% بيشتر از ترانزيستور‌هاي 65 نانومتري شده، و در سرعت برابر ، جريان نشتي سورس-درين 5 برابر كاهش يافته است، همچنين به لطف بهره گيري از دي‌الكتريك قوي‌تر جريان نشتي گيت نيز 10 برابر كاهش يافته است .

در نتيجه مي‌توان انتظار داشت پردازنده‌هاي مبتني بر پروسه ساخت 45 نانومتري كه در پايان سال جاري عرضه خواهند شد، پردازنده‌هاي كم‌مصرف تر و سريع‌تري نسبت به پيشينيان خود باشند.

[ocz]

Penryn جانشين ‍Conroe

امروز اينتل اعلام كرده كه اولين نسخه پردازنده‌هاي ساخته شده توسط ترانزيستور هاي HK+MG به خوبي در آزمايش‌ها خود را نشان داده است و چهار سيستم عامل Windows Vista ، Windows XP ، Linux و Mac OS X را بر اجرا كرده است . تصوير زير، تيم ارزيابي اينتل پس از اينكه با موفقيت سيستم‌عامل‌هاي مذكور را روي پردازنده جديد بوت كرده اند نشان مي‌دهد .


نمايي از هسته Penryn را ميتوانيد در تصوير زير مشاهده كنيد، همانطور كه مشاهده مي‌كنيد Penryn داراي دو هسته مي‌باشد و گفته مي‌شود از 410 ميليون ترانزيستور تشكيل شده است اين در حالي است كه Conroe حدود 294 ميليون ترانزيستور دارد. پيش بيني مي‌شود اين تراشه حداقل 6 مگابايت حافظه كاشه اشتراكي داشته باشد در حالي كه Conroe چهار مگابايت حافظه كاشه اشتراكي دارد.

در نيمه دوم سال جاري ميلادي خط توليد نخستين نسخه‌هاي Penryn بر روي ويفر‌هاي 300 ميلي‌متر مربعي در دو Fab اينتل آغاز به كار خواهد كرد، اين دو Fab عبارتند از D1D مستقر در oregon و Fab 32 مستقر در Arizona در اواسط سال 2008 نيز Fab 28 مستقر در اسرائيل، به جمع توليد كنندگان Penryn خواهد پيوست.

[ocz]

در این تاپیک: http://forum.p30world.com/showthread.php?t=193722