Пропавшая пятница, или Конец каменного века

В Intel объявили, что в следующем поколении чипов, которые будут производиться уже в этом году, будут использованы так называемые "high-k and metal gate" транзисторы.

В этой почти детективной истории, изрядно удивившей даже видавших виды журналистов, действуют такие силы, кипят такие страсти и замешаны такие большие деньги, что надо, пожалуй, радоваться, что все пока, слава богу, живы. Речь идет о противостоянии великой и могучей корпорации Intel и не менее сильного альянса, образованного IBM, AMD, Sony и Toshiba.

В пятницу 26 января в девять часов вечера, когда все труженики Кремниевой Долины после тяжелой недели либо оттягивались, либо, наоборот, готовились отойти ко сну праведному, в Intel созвали журналистов на тайную пресс-конференцию. Злые языки сразу стали интересоваться, почему же не ровно в полночь? Видимо, в руководстве Intel надеялись, что в пятницу вечером конкуренты среагировать не успеют и в следующий понедельник прогрессивное человечество проснется уже не где-нибудь, а в новой компьютерной эре, подаренной ему несомненным лидером индустрии.

Но конкуренты не спали. Информация о готовящейся революции просочилась наружу, и хоть без деталей и с опозданием на целый час, но с похожим заявлением о технологическом прорыве выступила корпорация IBM. Примазавшиеся конкуренты подпортили праздник; лишенные законного отдыха журналисты и аналитики слегка обиделись, и за обычным водопадом сплетен и пересудов, кто круче, почти потерялась технологическая сторона дела. А она, как бы то ни было, подводит итог почти десятилетию серьезных научных исследований и многотрудных опытно-конструкторских разработок. И не так уж важно для прогрессивного человечества, кто первым сказал "мяу". Тем более что законы физики для всех одинаковы, и "мяу" у всех получается очень похожим. Но что же произошло?

В Intel объявили, что в следующем поколении процессорных чипов, которые будут производиться уже в этом году по 45-нм техпроцессу, будут использованы новые так называемые "high-k and metal gate" транзисторы. Более того, сегодня в распоряжении инженеров уже есть пять работающих образцов из пятнадцати планируемых вариантов двух- и четырехъядерных процессоров семейства Penryn, прямого развития удачного ядра Core. Такие процессоры будут работать во всех сегментах рынка - в мобильных и настольных компьютерах, в рабочих станциях и серверах.

К "революционной" пресс-конференции в Intel тщательно подготовились, подключив тяжелую артиллерию. Сам отец-основатель 78-летний Гордон Мур заявил, что "использование материалов с большой диэлектрической проницаемостью (high-k) и металлических затворов (metal gate) знаменует наибольшие изменения в полупроводниковой технологии с момента внедрения транзисторов с затвором из поликристаллического кремния в конце шестидесятых". В обычных транзисторах процессорной логики, которые успешно работают уже четыре десятка лет, ток может течь по полупроводниковому каналу между истоком и стоком. На канал нанесен изолирующий слой диэлектрика - диоксида кремния, а уже на нем расположен третий электрод - затвор из поликристаллического кремния. Меняя напряжение на затворе, можно влиять на проводимость канала - включать и выключать транзистор. Но чем меньше транзистор, тем тоньше слой диэлектрика и короче затвор. В результате растут утечки сквозь изолятор и другие потери. Это приводит к дополнительному нагреву чипа и снижает скорость переключения транзистора.

В новых транзисторах слой диоксида кремния заменен более толстым слоем диэлектрика с большой диэлектрической проницаемостью, которая не мешает полю затвора управлять каналом, но за счет большей толщины изолятора утечки затвора изрядно снижаются. Поскольку диэлектрическая проницаемость (большая она или малая) меряется относительно того же диоксида кремния (у которого k=3,9), то high-k-материал означает лишь большую проницаемость для электрического поля. Проницаемость и толщина слоя изолятора в новых чипах в несколько раз выше, чем у современных процессоров, сделанных по тем же топологическим нормам. Состав диэлектрика держится в тайне, и пока известно лишь то, что он содержит кислород и гафний. На какой металл или сплав заменили кремний затвора, тоже пока страшный секрет. Утверждается, что эти меры позволили на 20% увеличить ток через транзистор и лучше его запирать, в пять раз уменьшив утечку между истоком и стоком. В новых процессорах Intel используются медные соединения, около двухсот миллионов транзисторов на ядро, а мощность, необходимая для переключения транзисторов, снижена на 30%.

Вынужденная реакция IBM породила более краткий пресс-релиз. Сообщается, что партнеры тоже совершили революцию и собираются использовать high-k and metal gate транзисторы и 45-нм технологию, но только в 2008 году. Детали пообещали раскрыть позже, на очередных отраслевых конференциях. В IBM тоже будут использовать соединения гафния, в чем нет большого сюрприза. Работы с диоксидом и силикатами гафния (HfSiO, HfSiON) ведутся давно, HfO2, например, имеет коэффициент диэлектрической проницаемости около 25, то есть в шесть с лишним раз выше, чем у диоксида кремния. Некоторые источники утверждают, что транзисторы альянса IBM идеологически более совершенны, но Intel, похоже, примерно на год опережает конкурентов. Другие считают, что преимущества у Intel есть, но они временные.

Что ж, остается только подождать появления новых процессоров, знаменующих переход в чипостроении от века каменных затворов (длившегося сорок лет) к веку металла. Их тесты, а не громкие заявления производителей и покажут, кто на самом деле технологический лидер. Не стоит также забывать, что переход на более прогрессивную технологию вовсе не означает априорного увеличения производительности и уменьшения тепловыделения: потенциальными преимуществами еще нужно уметь воспользоваться, а это ой какая непростая инженерная задача.

- Из журнала "Компьютерра"