IDF 2011

Die 22-nm-Technik mit Tri-Gate

Marc Bohr führte in einem Technology Insight durch Intels Transistor-Entwicklung und gab einen Ausblick auf Ivy Bridge und die Vorteile der 22-nm-Fertigungstechnologie. Im großen und ganzen sind die aktuellen, planaren Transistoren auf einem Design erstellt, welches bereits 1974 entwickelt und eingesetzt worden ist. Anschließend wurden diverse Tricks und Optimierungen implementiert, um die Leakage zu minimieren und die Transistoren bei einer kleineren Fertigungstechnik zu beherrschen – bis zum Jahr 2000 war dies kein größeres Problem, anschließend wurde die Leakage aber zu einem Problem.

Im Jahr 2003 setzte Intel bei der 90-nm-Technik auf Strained Silicon Transistoren für NMOS und PMOS-Transistoren, um Gate Oxide Scaling zu reduzieren und den Ansteuerungsstrom (drive current) zu verbessern. Mit der 45-nm-Technik führte Intel die High-k Metal Gate Transistoren ein, also ein neues Dielektrikum (SiO2) und ein auf Hafnium basierendes Metall-Gate. Auch hier konnte die Performance der Transistoren massiv verbessert werden, ohne Leakage-Probleme zu bekommen.

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Als Beispiel zeigte Bohr eine Grafik für 22-nm-Transistoren mit unterschiedlichen Drive Current / Leakage-Werten – je nach Anwendungsbereich. Benötigt man einen schnellen Prozessor, muss man auch eine höhere Leakage in Kauf nehmen, kann aber auf der anderen Seite bei einer niedrigen Leakage eine höhere Performance erreichen. Im Endeffekt ist es also möglich, je nach den Anwendungsbereichen des fertigen Chips eine passende Prozessortechnik einzusetzen (High Performance, Standard Performance, Low Power).

Bohr führte die Hauptvorteile der 22-nm-Tri-Gate-Fertigung an:

• es besteht ein deutlicher Leakage-Vorteil aufgrund der Fully-Depleted-Gates. Bei geringerer Spannung schaltet der Transistor schneller ab und hat deshalb eine deutlich geringere Off-State-Leakage.

• Bei High-Performance-Optimierung kann bei gleicher Off-State-Leakage wie bei einem Planar-Transistor eine deutlich höhere Schaltgeschwindigkeit erreicht werden

• Insgesamt kann der Tri-Gate-Transistor eine 37% schnellere Geschwindigkeit bei 0,7 V Spannung haben – oder umgekehrt eine um 50% niedrigere Active Power.

• Wird eine höhere Performance benötigt, ist es dem Designer möglich, mehrere Fins zusammen zu schließen, um eine höhere Performance zu erreichen.

Insgesamt gibt Intel an, dass man im Vergleich zur Konkurrenz bis zu vier Jahre Vorsprung hat, da IBM, Globalfoundries, TSMC und andere mit der entsprechenden Technik frühestens mit der 14-nm-Technik beginnen können. Somit sieht man sich bei der Fertigungstechnik in der Lage, für die Produkte einen klaren Vorteil erreichen zu können.

Auf Produktseite wird Intel im vierten Quartal den P1270-Prozess für die 22-nm-Prozessoren einsetzen. Anschließend wird der P1272 genannte Prozess mit 14 nm im Jahr 2013 zum Einsatz kommen. Auf SOC-Seite sind die Prozesse P1271 und P1273 für Low-Power optimiert und werden ebenso im Q4 2011 und 2013 zum Einsatz kommen 

Herstellen wird Intel die neuen Produkte in insgesamt fünf Fabriken, die auf den 22-nm-Prozess umgerüstet werden oder es schon sind. Neben den Fabriken in Oregon werden auch die beiden Fabriken in Arizona die Prozessoren herstellen. Hinzu kommt die Fabrik in Israel. 

Stephen L. Smith gab in einer weiteren Veranstaltung einen eher anwendungsbezogenen Blick auf die 22-nm-Technik. So ist die Energieeffizienz von Produkten in jeden Bereichen immens wichtig, sowohl bei Servern, wie auch bei kleinen Geräten. Mit 22-nm-Technik möchte Intel erreichen, dass die Performance bei niedrigerer Leistungsaufnahme gesteigert werden kann – oder bei gleicher Performance deutlich weniger Strom verbraucht wird.

Ein Produktbereich, der durch die neue Technik möglich wird, ist der Ultrabook-Bereich. Im Bereich zwischen 10 und 20 Watt existierten bislang nur wenige schnelle Prozessoren mit ausreichend Performance für ein derartiges Produkt. Mit den 22-nm-Prozessoren wird es möglich, hier deutlich mehr Modelle anzubieten, die oberhalb vom SoC/Atom einen weiteren Produktbereich erschließen können.

Intel wird die 22-nm-Technik sowohl für die klassischen Prozessoren (Core, Xeon,...) wie auch für die SoC-Produkte einsetzen (Atom, etc.). Intel optimiert dabei auch die bestehenden Designs auf die neuen Tri-Gate-Prozessoren. Intel sieht hier einen Vorteil im Zusammenlegen der Design-Teams und fährt deshalb einen „Unified Design Approach“ und legt die bisherigen Teams (SoC, CPUs) zusammen, um besser und schneller auf neue Marktbereiche reagieren zu können.

Intel zeigte zur Demonstration ein Tablet mit Honeycomb-Betriebssystem und Medfield-Prozessor, auf dem ein „Bodies“ genanntes Programm lief, mit dem der menschliche Körper ähnlich der gleichnamigen Ausstellungen betrachtet werden kann. Medfield ist Intels erstes x86-basiertes Tablet mit Google-Betriebssystem.

Intels Ziele sind es, Ultrabooks, Smartphones und Tablets anbieten zu können, die eine hervorragende Anwendungserfahrung mitbringen. Weiterhin möchte man eine deutliche Verbesserung zur bisherigen Platform-Power erreichen – man spricht hier vom Faktor 20. Grafische und viselle Erfahrungen sollen deutlich verbessert werden durch weitere Grafik-Features bei den 22-nm-Produkten.