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Intel Core 2 Extreme QX9650: Der 45 nm Yorkfield im Praxistest - 2/19
29.10.2007 by doelf
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45 nm: High-k und Metal Gates
Bleiben wir noch einen Moment bei Gordon Moore. Als Intel Anfang 2007 die ersten lauffähigen Prozessoren mit 45 nm Strukturgröße zeigte, sprach Moore von der wichtigsten Veränderung im Transistorendesign seit 40 Jahren. Bisher konnte man kleinere Strukturen erreichen, ohne grundsätzliche Veränderungen am Aufbau der Transistoren vornehmen zu müssen. Beim Schritt von Intels 65 nm Fertigung zur 45 nm Technologie war das jedoch anders, erstmals seit dem Ende der 60er Jahre des letzten Jahrhunderts wurde der Aufbau der Transistoren grundlegend verändert.


300 mm Wafer für 45 nm Penryns

Je kleiner die Strukturen werden, desto schwieriger ist es, Leckstöme mit ihrem negativen Einfluss auf die Abwärme und die Signalqualität zu unterbinden. Vor gut vierzig Jahren wurden Gates aus Polysilizium bei den Transistoren eingeführt, was Gordon Moore als den letzten großen Technologieschritt betrachtet. Als Isolator verwenden die Prozessoren eine dünne Schicht aus Siliziumdioxid, welche bei Intels Modellen mit 65 nm Strukturgröße nur noch 1,2 nm bzw. fünf Atomlagen dick ist. Das Ziel muss also darin bestehen, eine dickere Isolationsschicht einzubringen, um die Leckströme und damit letztendlich auch die Verlustleistung zu senken. Durch die Minimierung dieser negativen Faktoren arbeitet die CPU kühler und erlaubt zudem höhere Taktraten.

Durch die Kombination neuer Materialien konnte Intel genau dieses Ziel erreichen. Bei Intels Lösung wird statt des üblichen Siliziumdioxid ein "high-k" Dielektrikum, welches auf Hafnium basiert, schichtweise (Atomic Layer Deposition, ALD) aufgetragen. Allerdings sind die üblichen Elektroden der Transistor-Gates, welche auf Silizium basieren, nicht mit diesem "high-k" Dielektrikum kompatibel, so dass Intel hier zu zwei namentlich nicht genannten Metallen - eines für NMOS, das zweite für PMOS Transistoren - greift. Welche Metalle genau zum Einsatz kommen, dürfte das derzeit größte Betriebsgeheimnis bei Intel sein.

In der Praxis konnten die Schaltverluste durch die neuen Transistoren um 30 Prozent gesenkt werden, während sich ihre die Schaltzeit um mehr als 20 Prozent verkürzt hat. Alternativ zur schnelleren Schaltzeit können die Source-Drain Leckströme um den Faktor fünf reduziert werden, der Leckstrom der Gates sogar um den Faktor zehn. Für seine neuen Prozessoren hat Intel einen Mittelweg zwischen besseren Schaltzeiten und niedrigeren Leckstömen gewählt. Nicht ganz unwesentlich dürfte zudem die Ersparnis bei den Herstellungskosten sein, denn Intel kann nun mehr als doppelt so viele Transistoren pro mm2 unterbringen als bisher.

Intel konnte für die Masken der 45 nm Prozessoren auch weiterhin auf die bewährte und kostengünstige 193 nm Fotolithografie zurückgreifen. Bei diesem Verfahren befindet sich Luft zwischen dem Objektiv und dem Wafer. Zwar wurde von Intel bereits 2004 die extreme-ultravilolet (EUV) Lithogragphy, welche mit reflektierenden Optiken und Masken arbeitet und die eine Produktion im Vakuum vorraussetzt, als Belichtungstechnologie der Zukunft angekündigt, doch diesen Schritt wird Intel wahrscheinlich erst 2009 beim Umstieg auf 32 nm Strukturgrößen vollziehen.

AMD und IBM werden für ihre 45 nm Fertigung die Immersionslithographie verwenden, bei der die Luft zwischen dem Objektiv und dem Wafer durch eine klare Flüssigkeit ersetzt wird.

Die ersten 45 nm Prozessoren werden derzeit in Hillsboro, Oregon auf 300 mm Wafern gefertigt. Zwei neue Produktionsstätten, die Fab 32 in Ocotillo, Arizona und die Fab 28 in Israel, sollen die Produktion Ende 2007 bzw. in der ersten Jahreshälfte 2008 aufnehmen. In der zweiten Jahreshälfte 2008 soll dann noch die Fab 11X in New Mexico hinzukommen. Falls alles nach Plan läuft, sollen bereits im dritten Quartal 2008 mehr 45 nm Mikroprozessoren als 65 nm Modelle gefertigt werden. Intels Mitbewerber AMD wird seine neuen K10-Prozessoren zunächst im 65 nm Prozess herstellen, wann AMD auf eine 45 nm Technologie umsteigen wird, ist derzeit noch unklar. Es erscheint allerdings eher unwahrscheinlich, dass AMD vor Ende 2008 einen solchen Schritt umsetzen wird.

Weiter: 3. Wide Dynamic Execution und Radix-16 Divider

1. 15 Monate Core-Mikroarchitektur
2. 45 nm: High-k und Metal Gates
3. Wide Dynamic Execution und Radix-16 Divider
4. Advanced Digital Media Boost, SSE4 und Super Shuffle Engine
5. Intelligent Power Capability, DPD, EDAT und CC3 State
6. Smart Memory Access, Advanced Smart Cache, VT und FSB1600
7. Intel Core 2 Extreme QX9650 und Testsystem
8. CPU-Leistung (synthetisch)
9. Multithreaded (synthetisch)
10. Datendurchsatz von Speicher und Cache
11. Primzahlen und Pi
12. Raytracing und Rendering
13. Kompression und mp3-Encoding
14. Video-Encoding
15. 3DMark06 und F.E.A.R.
16. Riddick und UT2004
17. Stromverbrauch
18. Übertakten
19. Fazit

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