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Intel e il debutto del transistor tri-gate in Ivy Bridge. Ecco di cosa si tratta
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Scritto da Administrator   
Lunedì 09 Maggio 2011 08:00

Intel transistor trigate 3D

Un articolo mediamente tecnico per analizzare a grandi linee i miglioramenti introdotti da Intel con un nuovo tipo di transistor, che promette di essere tanto innovativo quanto efficiente e prestante. Si chiama transistor 3D o tri-gate e vedrà implementazione concreta a partire da Ivy Bridge.

La riduzione del processo produttivo in un transistor non è più l'unica strada da intraprendere per il futuro. Non è possibile ridurre all'infinito (anzi, all'infinitesimo), ma è necessario iniziare ad agire su due binari paralleli affiancando, al processo di miniaturizzazione fisica in termini di nanometri, quello di implementazione di nuove soluzioni fisico-quantistiche alla base di più innovative soluzioni di realizzazione di transistori di prossima generazione.

E' noto che sono svariati i vantaggi apportati dalla riduzione del processo produttivo di un circuito integrato: costo di realizzazione (e vendita retail) inferiore, aumento della densità di componenti per unità di area, risparmio energetico durante il funzionamento del componente.

Ma è paradossalmente il die shrink stesso a portare con sè anche alcuni svantaggi. In particolare, se da un lato l'innovazione continua a seguire la legge di Moore, è bene ricordare che la continua riduzione amplifica un fenomeno indesiderato: le correnti parassite. Con questo termine si intende un qualunque flusso di portatori di corrente non voluto, generalmente causa di riduzione del flusso di corrente primario, quello realmente voluto con l'impiego del transistore. Sebbene realizzato con l'impiego di semiconduttori con minima impurità nel reticolo cristallino, in un transistore le perdite di corrente dovute alla resistenza parassita intrinseca del componente non sono mai completamente evitabili e questo fenomeno diventa sempre più problematico con l'aumentare della riduzione del processo produttivo.

L'aumento di "perdita di corrente" si amplifica con la riduzione del processo produttivo e la conseguente diminuzione, in proporzione, dell'ampiezza del canale di una struttura MOSFET molto simile a quella del transistor e di più reale e concreto impiego nella moderna tecnologia a semiconduttore.

In termini più grezzi, il riscalamento delle dimensioni del gate di un transistore amplifica il fenomeno della resistenza parassita. Dove si parla di resistenza si parla anche si dissipazione per mezzo dell'effetto Joule: potenza che va persa in calore anzichè essere realmente utilizzata. E la causa è la riduzione della corrente utile sia nello stato di OFF del transistore (che aumenta riducendo la lunghezza del gate) che a causa dell'ossido isolante impiegato in una struttura MOS (anche in questo caso direttamente proporzionale alla riduzione di spessore del dielettrico isolante).

Per contenere questo fenomeno, già nel 2002 Intel ha progettato un nuovo tipo di transistor, denominato transistor CMOS tri-gate, che utilizza un gate tridimensionale che migliora la diffusione di corrente riducendo quella di leakage quando il transistore è in stato di OFF (anche noto come zona di funzionamento cut-off o di interdizione). Il progetto di Intel non è recentissimo poichè già da diversi anni a questa parte il problema era ovviamente noto ma soltanto adesso, con riduzioni più sensibili del processo produttivo, il problema della leakage current si è reso più evidente ed è stato necessario intervenire con questa rivisitazione in parallelo dell'architettura del componente.

Intel transistor trigate 3D

Il transistore tri-gate, o 3D, verrà implementato a partire dalla prossima architettura next-gen Ivy Bridge. Intel ha dato il via libera in quanto le ricerche su questa nuova tecnologia hanno raggiunto uno stadio finale e, sin dalla sua creazione, il transistor "tridimensionale" ha visto migliorare diversi parametri tra cui prestazioni, efficienza energetica e innovazioni nei materiali impiegati. Il dielettrico sarà sempre di tipo high-k, mentre i terminali di source e drain vengono realizzati con crescita epitassiale delle zone drogate che fungono da terminali per il flusso di corrente nello stato di ON. Il risultato è un transistore non pianale che può fornire il 30% in più di corrente (NMOS) oppure fino al 60% (nel caso dei PMOS). In altri termini, la stessa efficienza di un tradizionale transistore realizzato a 65 nanometri. I dati si riferiscono ai valori di corrente per unità di lunghezza.

Intel transistor trigate 3D

Il nuovo design tridimensionale richiede minor corrente per poter funzionare, l'effetto indesiderato della dissipazione in calore è più contenuto e la forma geometrica consente un "impacchettamento" dei transistori più denso, peculiarità che, unita al die shrink stesso, permette di contenere ulteriormente le dimensioni finali del die in silicio, permettendo il raggiungimento di una scala di integrazione ancora più elevata.

La particolare forma geometrica è stata determinata dopo numerosi esperimenti pratici alla conclusione dei quali è stato provato che particolari geometrie, non più planari, permettono di massimizzare la corrente netta utile al funzionamento del dispositivo, funzione dell'altezza del transistore 3D.

Ma non è tutto. Ivy Bridge, di cui si inizierà a parlare più concretamente presumibilmente a partire dalla fine di quest'anno, porta con sè altre innovazioni a livello di microarchitettura del transistore. Ad esempio, la tecnica di strain engineering permette di migliorare la mobilità degli elettroni e delle lacune per migliorare le performance e ridurre le latenze del dispositivo. Ricordo che la mobilità è un coefficiente numerico che stabilisce la proporzionalità diretta tra campo elettrico applicato alla struttura e relativa velocità di deriva dell'elettrone (o della lacuna).

Inoltre, il tradizionale ossido di silicio utilizzato solitamente nelle strutture CMOS è rimpiazzato dal dispositivo di tipo high-k (ovvero ad elevata costante di dielettrico, che si traduce in un miglior isolamento) mentre il gate in polysilicon (silicio policristallino) viene sostituito con un materiale metallico caratterizzato da una working function prossima al livello di Fermi intrinseco del silicio impiegato. Si tratta di considerazioni di tipo energetico che implicano direttamente tensioni e correnti caratteristiche del dispositivo. L'utilizzo del metallo elimina il problema della creazione di una zona di svuotamento del polisicilio (che normalmente viene contenuta il più possibile agendo sui livelli di doping, in quanto usato per emulare un metallo e non un semiconduttore).

Intel transistor trigate 3D

La struttura source e drain è realizzata con una nuova tecnica di crescita epitessiale, tramite cioè deposizione diretta di silicio nel transistor NMOS oppure di un compound di silicio e germanio nel transistor PMOS. Le regioni di source e drain sono costruite dunque come "montagne soprelevate" rispetto al sottostrato ossido-silicio per ridurre il più possibile il fenomeno della resistenza parassita.

Intel ha inoltre mostrato che l'utilizzo del transistore tri-gate garantisce un eccellente controllo del fenomeno dell'effetto di canale breve (SCE), inizialmente visto come un problema e poi utilizzato invece a vantaggio nella realizzazione di un transistore. Ciò comporta riduzione ulteriore della resistenza parassita e decremento del consumo energetico. La presenza o meno del canale nella struttura MOSFET è l'equivalente dell'abilitazione o meno del flusso di corrente nel transistore tradizionale: è dunque alla base del funzionamento della struttura come switch on/off.

La tecnologia tri-gate è stata testata da Intel non solo per l'utilizzo specifico in CPU, ma anche in moduli SRAM. Celle di memoria SRAM tri-gate utilizzano una corrente di lettura delle celle pari ad 1,5 volte quella tradizionale necessaria per l'accesso alle celle SRAM planari. Tale riscontro è dovuto allo spessore maggiore dovuto all'impiego del transistore tradizionale.

In realtà, le memorie SRAM sono utilizzate all'interno del die stesso e costituiscono la più ampia regione del medesimo: la memoria cache, di qualunque livello. Solitamente queste memorie sono più costose rispetto alle RAM (dinamiche) ma non necessitano di refresh, sono molto più veloci ma normalmente la cella elementare è più grande e quindi è consigliabile impiegarla là dove la velocità è prerequisito e la capienza lo è meno. L'esempio della cache, in quest'ottica, calza decisamente a pennello.

Una decnologia promettente quella del transistor tri-gate, che Intel sfoggerà con Ivy Bridge e le future linee di microprocessori offerti dall'Azienda per il mercato consumer ma non solo. Sarà interessante notare i riscontri più pratici di questa tecnologia, in particolare come la flessibilità di scalabilità della potenza dissipata in funzione della tensione applicata e della frequenza di funzionamento del componente. Non resta che aspettare e attendere i primi benchmark.

Finora è certo che il transistor 3D rappresenterà il futuro per Intel, diverrà un basic building block per la tecnologia a semiconduttore dei microprocessore e un nuovo punto di partenza per futuri spunti di rinnovamento di carattere architetturale.

Commenti (1)add comment
0
Andy: ...
La nuova tecnologia messa a punto da Intel è caratterizzata da una combinazione senza precedenti tra miglioramento significativo delle prestazioni e riduzione sensibile degli assorbimenti, con applicazioni che spaziano dal più piccolo dispositivo portatile fino ai più potenti server cloud.
http://it.emcelettronica.com/intel-tri-gate-parte-produzione-del-transistor-3d-da-22nm
1

luglio 18, 2011

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