בואו לגלות מה עומד מאחורי הטכנולוגיה החדשה של אינטל והמהפיכה שהיא מבטיחה להביא אל עולם המעבדים
בחודש מאי האחרון חשפה אינטל את מה שהיא כינתה "ההכרזה הטכנולוגית הגדולה של השנה" – ארכיטקטורה חדשה לגמרי לטרנזסטורים המרכיבים את המעבד, שתהיה הבסיס לכל המוצרים העתידיים של החברה, החל ממעבדי ה-Ivy Bridge בשנה הבאה.
הטרנזיסטורים התלת מימדיים החדשים, או טרנזיסטורי Tri-Gate בשמם הרשמי, מבטיחים להציע שיפורים מרחיקי לכת ליכולות המעבד. אנחנו כאן כדי להסביר לכם כיצד זה יתכן.
מתחילים מההתחלה
כדי להבין מהו טרנזיסטור תלת מימדי ובפרט מהו טרנזיסטור Tri-Gate, עלינו להבין תחילה מהו טרנזיסטור "פשוט" – טרנזיסטור מישורי.
מטרתו של הטרנזיסטור היא להעביר או לא להעביר זרם בתלות במתח החשמלי שפועל עליו (אשר נשלט בידי המשתמש, או המחשב, בעצם).
קיימים הרבה מאוד טרנזיסטורים הפועלים בדרכים ובשיטות שונות, אך הטרנזיסטור המישורי הבסיסי מורכב ממצע העשוי חומר מוליך למחצה (סיליקון לרוב, ולעיתים גם סגסוגת סיליקון גרמניום) שבו ערוץ (או תעלה) לזרימת האלקטרונים. על מצע זה ישנו הדק מתכתי, שער (Gate) שהזרמת זרם דרכו תיצור שדה חשמלי שיביא לזרימת זרם גם בערוץ המוליך למחצה ולמעשה "תפעיל" את הטרנזיסטור.
בין המצע לשער ישנה שכבה דקה של חומר מבודד שמטרתה למנוע מעבר של זרם מן השער אל מצע המוליך למחצה. בעבר נעשה שימוש בתחמוצת סיליקון כחומר מבודד, אך תהליכי המיזעור של השבבים דרשו חומר שיציע בידוד טוב יותר. החל מתהליך ייצור של 45 ננומטר נעשה שימוש בחומר בעל קבוע דיאלקטרי K גבוה ומכאן שמה של הטכנולוגיה שבה נעשה שימוש במעבדים הנוכחיים המוכרים לנו – High K Metal Gate.
| טרנזיסטור Bulk (משמאל) וטרנזיסטור PD-SOI |
מיזעור השבבים הוא למעשה מיזעור של אותו ערוץ זרימת האלקטרונים – ככל שהערוץ קצר יותר כך יכול הטרנזסיטור להתחיל ולהפסיק לפעול מהר יותר, וכך המעבד יוכל להיות מהיר יותר. מיזעור הטרנזיסטורים מביא עימו גם בעיות שמקשות על התהליך כמו זרימת אלקטרונים "טבעית" מוגברת בערוץ גם כשאינו פועל (אותם זרמי זליגה ידועים לשמצה).
בכדי להילחם בתופעת זרמי הזליגה נוצרו טרנזיסטורים המכילים שכבת תחמוצת מתחת לערוץ זרימת האלקטרונים, שמטרתה להקטין את כמות האלקטרונים שזורמים באופן "טבעי". אינטל לא עשתה שימוש בשיטה זו וטענה כי התועלת ממנה לא מצדיקה את תוספת המחיר. AMD, לעומתה, עושה שימוש בטכנולוגיה זו (PD-SOI) כבר מספר שנים.
קופצים למימד הבא
מה עושה הטרנזיסטור התלת מימדי? בטרנזיסטור זה ערוץ זרימת האלקטרונים אינו נמצא על מצע, 'וואפל' (wafer) המוליך למחצה – אלא נבנה עליו. מה שמתקבל הוא מעין "סנפיר" של מוליך למחצה אותו ניתן לעטוף בשער לא רק מצד אחד, אלא משניים (טרנזיסטורי FinFET) או שלושה צדדים (טרנזיסטורי ה-Tri-Gate המדוברים של אינטל).
שטח המגע המוגדל בין ערוץ המוליך למחצה והשער מאפשר לשדה החשמלי של השער להשפיע (לשלוט, למעשה) על הערוץ באופן מהיר ומדויק יותר, מה שמשפר את ביצועי הטרנזיסטור באופן ניכר.
| המהפך – יותר שליטה, יותר עוצמה ופחות זרמי זליגה |
העובדה שאותו "סנפיר" יכול להיות דק מאוד (משמעות העובי היא זניחה כמעט – האורך הוא הגורם המכריע) וגם מוקף בשכבת תחמוצת מקטינה באופן מהותי את שטח המגע שלו עם מצע המוליך למחצה – מה שבתורו עוזר להקטין את זרמי הזליגה.
יתרון נוסף של הטרנזיסטור התלת מימדי הוא ביכולת להרכיב אותו מכמה "סנפירים" במקומו של ערוץ משטחי בודד – מה שיתרום לשיפור הזרימה ולשיפור הביצועים של הטרנזיסטור.
| סנפיר אחד זה טוב, שלושה סנפירים זה טוב עוד יותר |
תרגום של כל היתרונות המילוליים הללו לביטויים מספריים חושף תמונה מבטיחה מאוד – טרנזיסטור Tri-Gate שנוצר בתהליך של 22 ננומטר יכול לפעול באותה מהירות כמו טרנזיסטור משטחי שנוצר בתהליך של 32 ננומטר, תוך שימוש במתח הנמוך בכ-25 אחוז (ומכאן שבאותה רמת מתח תתקבל תוספת נאה לביצועי המעבד).
הקטנת זרמי הזליגה גורמת ליתרונות החסכון באנרגיה ו/או תוספת הביצועים להיות גבוהים עוד יותר במתחים נמוכים, מה שאמור להעניק למעבדי ה-ULV ומעבדי האטום קפיצת מדרגה רצינית ביותר מבחינת ביצועים.
| יותר שליטה שווה ביצועים טובים יותר ומתח נמוך יותר |
מה לקח לכם כל כך הרבה זמן?!
כל הנתונים המטלטלים האלו מעלים את השאלה המתבקשת "למה זה קורה רק עכשיו? אם הטרנזיסטורים התלת מימדיים מלאים ביתרונות וחפים מחסרונות, למה לא ראינו אותם כבר לפני שנים?". התשובה נעוצה, באופן בלתי מפתיע, בטכנולוגיה הקיימת והזמינה.
טרנזיסטורים תלת מימדיים דורשים מהיצרנית לבנות מערכת של "מגדלים" בסדר גודל ננומטרי, זאת לעומת הטרנזיסטורים המישוריים שאת יצירתם ניתן לדמות לציור עד דף נייר. מדובר בתהליך מתקדם מאוד ולא פשוט כלל, והוכחה ניצחת לכך אנחנו מקבלים מהעובדה שאינטל היא יצרנית השבבים היחידה שיש ביכולתה לייצר טרנזיסטורים תלת מימדיים כבר עכשיו – יצרניות אחרות כגון TSMC או GlobalFoundries נמצאות מספר שנים מהיום בו יוכלו להצטרף ל"מועדון" היוקרתי הזה.
למרות הקושי המסתמן ביצירת שבבים המבוססים על טרנזיסטורי ה-Tri-Gate, באינטל מצהירים כי שבבים אלו יהיו יקרים רק בכ-2 עד 3 אחוז משבבים שהיו מתבססים על טרנזיסטורים מישוריים בתהליך ייצור של 22 ננומטר.
| דמיינו לעצמכם איך יוצרים מבנה שכזה – אבל קטן פי מיליארד |
מעבדי ה-Ivy Bridge הראשונים מיועדים להגיע לחנויות בחודש מרץ או אפריל בשנה הבאה – אז נדע סוף סוף האם טרנזיסטורי ה-Tri-Gate הם אכן המהפיכה הגדולה שהבטיחו לנו.
