Intel Penryn: первые 45 нм процессоры

Сегодня компания Intel впервые в истории полупроводниковой индустрии официально представила процессоры, выполненные с соблюдением норм 45 нм техпроцесса. Всего год прошёл с момента демонстрации Intel первых рабочих прототипов чипов 45 нм памяти SRAM, и вот новая веха: процессоры с рабочим именем Penryn, состоящие из сотен миллионов транзисторных "вентилей", выполненные по сложному и "деликатному" 45 нм технологическому процессу, где ширина затвора каждого транзистора составляет всего 35 нм. По традиции, анонс прототипов процессоров означает, что производственные линии теоретически готовы к массовому производству, остаётся лишь ряд верификационных мероприятий и доводка оборудования до оптимального процента выхода годных чипов. После этого – ближе к лету, начнётся производство следующего поколения многоядерных процессоров Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad и Xeon, их массовые поставки запланированы на второе полугодие 2007.

Планы Intel по развитию процессорных микроархитектур и поколений процессорных дизайнов

Сегодняшнее событие требуется рассмотреть со всех сторон сразу по нескольким причинам. Во-первых, 45-нм техпроцесс впервые применён на практике для выпуска столь сложных полупроводниковых изделий. Не обошлось без серьёзных изменений в технологии производства, применения совершенно новых инструментов и материалов почти на всех этапах. Во-вторых, переход на столь прецизионные нормы производства с очевидным изменением физико-химических свойств компонентов схемы потребовал от инженеров применения совершенно новых материалов и технологий для работы с подложкой, создания перехода транзисторов, их электродов и так далее – всё для достижения меньших токов утечек и более экономной работы чипа без снижения производительности на ватт затраченной энергии. И, наконец, в-третьих изменилась архитектура ядра процессоров с рабочим названием Penryn, хотя, они по-прежнему представляют собой представителей микроархитектуры Core (Merom). Здесь сразу же, чтобы не было путаницы между терминами, напомним, что поколения микроархитектур процессоров сменяют друг друга реже чем различные дизайны ядер (и даже реже чем новые техпроцессы). Например, микроархитектура NetBurst, пришедшая в 2000 году на замену микроархитектуре P6 (последние представители P6 – 0,18 мкм Coppermine, и финальный 0,13 мкм Tualatin в 2001 году), в разное время была представлена рядом разных дизайнов ядра: Willamette (2000 год, 0,18 мкм, 0,13 мкм), Northwood (2002 год, 0,13 мкм), Prescott/Smithfield (2004 год, 90 нм) и Cedar Mill/Presler (2006 год, 65 нм) – четыре поколения дизайна ядра и шесть лет на одной микроархитектуре! В то же время, представленная в 2003 году и параллельно развивавшаяся микроархитектура Banias также вместила в себя несколько поколений архитектур ядер – Banias (2003 год, 0,13 мкм), Dothan (2004 год, 90 нм) и Yonah (2006 год, 65 нм). Фактически, появление новых дизайнов ядра процессора можно рассматривать как постепенный процесс усовершенствования в рамках одной микроархитектуры, с добавлением новых функций, редизайном и масштабированием на новый техпроцесс. При этом получается, что у Intel, благодаря наличию двух основных научно-исследовательских центров по разработке процессоров – в Орегоне и Израиле, одновременно и параллельно развивается и совершенствуется как минимум две микроархитектуры, вбирая в себя весь лучший опыт коллег и избавляя от повторения ошибок. Современная микроархитектура Core, пришедшая в 2006 году на замену NetBurst и Banias, наряду с совершенно новыми инженерными идеями и технологиями унаследовала от каждой из предшественников самое лучшее. В результате первый же дизайн ядра с рабочим названием Merom (2006 год, 65 нм) на базе микроархитектуры Core оказался очень и очень удачным в плане производительности и экономичности. Нынешняя новинка, дизайн ядра с рабочим названием Penryn – не что иное как усовершенствованный дизайн Merom с одновременным переходом на 45-нм нормы производства. Семейство 45 нм чипов Penryn станет основой для новых Core 2-ядерных чипов Wolfdale и 4-ядерных чипов Yorkfield, идущих на замену сегодняшним 65 нм процессорам Core 2 Duo и Core 2 Quad соответственно. Соответственно, процессоры семейства Penryn лягут в основу нового поколения мобильной платформы Intel Centrino с кодовым названием Montevina. Новая мобильная платформа Montevina, которая ожидается в первом полугодии 2008, заменит собой версию Santa Rosa. Чтобы до конца разобраться в микроархитектурах процессоров Intel и выпускаемых в их рамках дизайнах процессорных ядер, позволим себе немножко заглянуть в будущее. Ожидается, что представленный сегодня дизайн Penryn с микроархитектурой Core продержится на рынке достаточно долго – возможно, до 2010 года, и не исключено, что процессоры с ядром Penryn будут выпускаться с соблюдением норм следующего, 32 нм техпроцесса. Пока что о новых вариантах дизайна ядер с микроархитектурой Core речи не идёт, поскольку в следующем, 2008 году, ожидается анонс совершенно новой микроархитектуры процессоров Intel – Nehalem, на базе которой будут представлены 45 нм процессоры с одноимённым дизайном Nehalem, а в последствии – ближе к 2009 году, чипы с обновлённым дизайном Nehalem-C. Дальнейшие прогнозы пока что весьма туманны, но если всё пойдёт по плану, ближе к 2010 году мы увидим первые прототипы чипов с совершенно новой микроархитектурой Gesher, а уж по какому техпроцессу они будут выпускаться – 32 нм или 25 нм, сейчас можно только гадать.

Особенности процессоров с архитектурой Penryn

Однако вернёмся к сегодняшним процессорам Penryn с микроархитектурой Core: согласно официальному заявлению представителей Intel, в настоящее время компания уже располагает пятью продуктами ранних степпингов для разных секторов рынка - из более пятнадцати чипов, планируемых к скорому выпуску по нормам 45 нм техпроцесса. По заявлению компании, чипы Penryn уже обкатываются в системах под Windows Vista, Mac OS X, Windows XP и Linux. В соответствии с практикой (а может быть, уже и традицией?), реализованной при выпуске первых чипов с микроархитектурой Core, семейство Penryn будет включать в себя процессоры для настольных и мобильных ПК, рабочих станций и систем корпоративного сектора. О технологических изменениях, коснувшихся производственного процесса и применяемых при этом материалов, мы поговорим чуть позже, а пока перечислим инновации, реализованные в архитектуре процессоров Penryn. К ним необходимо отнести увеличившееся количество транзисторов – более 410 млн. для двухъядерного дизайна (291 млн. транзисторов у 65 нм 2-ядерного Conroe) и более 820 млн. для четырёхъядерного Yorkfield, при уменьшившейся до 110 мм² площади кристалла (у Conroe - 143 мм²). Именно здесь просматривается сохранение закона Мура, согласно которому по-прежнему с периодичностью примерно раз в два года удваивается количество транзисторов, снижается удельная цена изготовления одного транзистора, увеличивается производительность, а в недалёком будущем – я уверен в этом, мы сможем говорить об удвоении количества процессорных ядер на кристалле, почему бы и нет. Наряду с этим семейство процессоров Penryn также будет поддерживать порядка 50 новых инструкций Intel SSE4, нацеленных на повышение возможностей и производительности при работе с мультимедийным контентом. Интересно в этой связи отметить, что поддержка ряда новых SSE инструкций была анонсировала ещё у процессоров Conroe, однако в рамках Fall IDF 2006 поддержка SSE4 была зарезервирована за следующим поколением микроархитектуры, Nehalem. Как указано в пресс-релизе, уже Penryn будет поддерживать новый набор инструкций Intel SSE4. Среди новых чипов также будут присутствовать варианты с объёмом кэша L2 до 12 Мб, а в целом всё семейство будет отличаться повышенной производительностью и расширенными возможностями управления режимами энергопотребления. По поводу энергопотребления новых 45 нм процессоров Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Core 2 Quad и Xeon с ядром Penryn сейчас известно, что в целом TDP будет примерно соответствовать сегодняшним реалиям – около 35 Вт у чипов для ноутбуков, порядка 65 Вт у mainstream-чипов для настольных ПК, около 80 Вт - у 4-ядерных серверных процессоров и чипов для экстремальных геймеров, при увеличенной производительности.

High-k диэлектрики, металлические затворы и другие нововведения 45 нм техпроцесса

Представляя новые технологические процессы, компания Intel выдерживает промежуток примерно около года между первой демонстрацией чипов с новыми нормами производства (как правило, чипы SRAM), до показа первых образцов процессоров. Так было в прошлый раз (65 нм), так случилось и сейчас: сейчас. Через год после показа первых 45 нм пластин с памятью SRAM, были показаны первые процессоры Penryn и появились дополнительные подробности об используемых материалах и технологиях. Прежде всего стоит отметить, что переход на новые, более прецизионные нормы техпроцесса влечёт за собой необходимость решения вопросов уменьшения токов утечек транзисторов, что напрямую влияет на энергопотребление и тепловыделение чипа в целом, и всё это на фоне увеличения производительности и усложнения архитектуры и топологии процессора. При переходе к нормам 45 нм техпроцесса для создания затворов транзисторов с малыми токами утечек инженерам Intel пришлось использовать новый материал для диэлектрика - так называемый high-k диэлектрик, в сочетании с новым материалом электрода затвора транзистора из сочетания металлов. Дело в том, что диоксид кремния (SiO₂, традиционно использовавшийся в качестве диэлектрика для создания затвора транзистора на протяжении сорока лет, просто-напросто исчерпал свои физические возможности. При разработке предыдущего 65 техпроцесса инженерам Intel удалось создать слой диэлектрика из диоксида кремния с легирующими углеродистыми присадками толщиной 1,2 нм – всего пять атомных слоёв! Однако дальнейшее снижение толщины этого слоя приводит к появлению эффекта прямого тунеллирования и резкому увеличению тока утечки через материал диэлектрика затвора – по сути, диоксида кремния перестаёт быть препятствием для свободного дрейфа электронов, которые в таких условиях проявляют свойства уже не только частиц, но и волны, и никакой возможности гарантированно управлять состоянием такого транзистора уже нет. Решить эту критическую проблему инженерам Intel помог подбор другого типа диэлектрика. Для этого диоксид кремния был заменён на тонкий слой материала на базе солей редкоземельного металла гафния с высоким показателем диэлектрической проницаемости k (high-k), в результате чего ток утечки удалось сократить более чем в десять раз по сравнению с традиционным диоксидом кремния. Однако не всё оказалось так гладко. Физика физикой, но химия нового чудесного затвора из high-k диэлектрика оказалось не совместимой с традиционно применяемым для изготовления электрода затвора кремнием, и этот вопрос оказался для инженеров Intel вторым крепким орешком при переходе на 45 нм производство. Требовалось разработать новый металлический затвор, совместимый с новым диэлектриком. Годы ушли на то, чтобы не только найти подходящий материал для электродов затвора, но также на разработку технологий его использования для затворов разной проводимости - NMOS и PMOS. Кстати упомянуть, количество материалов и химических элементов, задействованных в производстве современных чипов, растёт просто гигантскими шагами, ещё недавно их можно было насчитать десяток-другой, а теперь - более половины Периодической таблицы Д. И. Менделеева! Технологический 45 нм процесс Intel носит название P1266, при этом литография при производстве чипов Penryn используется та же, что и при работе с 65 нм техпроцессом. Несмотря на новый дизайн фоторезистов и новое поколение фотомасок, использование всё тех же 193 нм литографических инструментов позволило значительно сократить затраты при переходе на 45 нм нормы производства. Новый 45 нм техпроцесс Intel подразумевает меньшие размеры транзисторов при значительно более плотном размещении этих транзисторов на пластине – примерно в два раза более плотное, чем в случае предыдущего 65 нм поколения. Уменьшившиеся размеры транзисторов привели к уменьшению примерно на 30% тока, требующегося для их переключения, при этом более чем на 20% выросла скорость переключения транзисторов, более чем в пять раз уменьшились токи утечки в канале "сток – исток", и более чем в десять раз снизились токи утечки диэлектрика затвора. Некоторые специалисты называют внедрение high-k диэлектриков и металлических материалов при создании электрода затвора более сложной и эффективной задачей, чем переход на новый прецизионный техпроцесс. Интересно также отметить, что следующий техпроцесс Intel - P1268, с 32 нм нормами, вполне возможно, также будет ориентироваться на использование 193 нм литографических инструментов. В настоящее время новый 45 нм техпроцесс Intel с использованием 300 нм пластин внедряется в Хиллсборо, Орегон, на фабрике D1D. В ближайших планах компании – запуск 45 нм техпроцесса на новой 300 мм фабрике Fab 32 в Окотилло (Ocotillo), Аризона (начало массового производства в 2007 году) и фабрики Fab 28 в Израиле (начало массового производства в первом полугодии 2008).

Практическая реализация: Penryn на наших материнских платах

Несмотря на подробности анонса, многие детали архитектуры и практической реализации процессоров Penryn пока лишены подробностей. Например, нам ещё только предстоит рассказать вам о новом наборе инструкций SSE4, информация о котором впервые была озвучена в рамках Fall IDF 2006. Пока до конца не понятно, какие именно FSB будут у новых процессоров, какие тактовые частоты, какие системные платы будут их поддерживать. Есть информация, что семейство чипов Penryn для настольных ПК первоначально будет представлено в привычном нам виде Socket 775, и, вполне возможно, для использования уже имеющихся плат будет достаточно перепрошивки BIOS, однако эту информацию также нужно уточнять. Наконец, ближе к середине 2007 года Intel вроде бы планирует представить новые платформы с поддержкой нового поколения памяти DDR3, и, разумеется, процессорам Penryn в этих платформах отводится роль "первой скрипки". Я более чем уверен, что в самое ближайшее время подробности о новом дизайне процессоров Penryn одна за другой будут появляться после проведения очередных брифингов Intel, и не исключено, что основной их "пласт" будет оглашён во время ближайших Форумов Intel для разработчиков – IDF в Тайбэе и Пекине. На сегодня это вся информация о новых процессорах, нам остаётся лишь привести фото чипов Penryn, сделанное в стенах строящейся фабрики Fab28 в Кирьят Гат, Израиль (по этой ссылке, где размещён вариант статьи на иврите, прочесть, не зная языка, можно немного, но зато в конце страницы есть прикольный ролик о процессе строительства фабрики). Мы же на сегодня закрываем тему чипов Penryn и обещаем вернуться к ней при появлении новых подробностей.