3D tranzistor Tri-Gate: úspory elektrické energie a zvýšení výkonu

Intel představuje významný průlom ve vývoji tranzistoru a vůbec poprvé od vynálezu křemíkových tranzistorů před více než 50 lety budou nyní do výroby uvedeny tranzistory využívající trojrozměrnou strukturu - revoluční 3D tranzistor zvaný Tri-Gate.

Základní obrysy tranzistoru Tri-Gate byly poprvé představeny v roce 2002, do masové výroby ve své 22nm výrobní technologii v čipu, jenž je zatím kódově označován Ivy Bridge. Jeden nanometr představuje miliardtinu metru.

Trojrozměrné tranzistory Tri-Gate představují zásadní odklon od dvojrozměrných, plochých tranzistorů, které poháněly nejen všechny počítače, mobilní telefony a přístroje spotřební elektroniky, ale také elektroniku v automobilech, kosmických lodích, domácích spotřebičích, lékařských zařízeních a tisícovkách dalších zařízení, která každodenně používáme již po desetiletí.

"Výzkumní pracovníci společnosti Intel znovu přinesli revoluci do světa tranzistorů, tentokrát vstupem do třetího rozměru," prohlásil Paul Otellini, prezident a generální ředitel společnosti Intel. "Na základě těchto tranzistorů vzniknou nová úchvatná zařízení a Mooreův zákon se posune do nových oblastí."

Vědci již delší dobu poukazují na výhody trojrozměrné struktury k udržení tempa Mooreova zákona, jelikož rozměry elektronických zařízení se natolik zmenšily, že se z nich staly bariéry bránící dalšímu pokroku. Klíčovým aspektem pro dnes představenou novinku je schopnost Intelu využít tyto nové, trojrozměrné tranzistory v masové výrobě, což spustí novou éru Mooreova zákona a otevře dveře nové generaci inovací napříč širokým spektrem zařízení.

Mooreův zákon je předpověď tempa vývoje počítačové technologie. Říká, že vývoj technologie se zrychlí zhruba každé dva roky, přičemž se zároveň bude zvyšovat funkčnost, výkon a budou se snižovat náklady. Mooreův zákon se stal základním modelem pro odvětví polovodičů po více než 40 let.

Obrovské úspory energie a vyšší výkon

Díky trojrozměrným tranzistorům Tri-Gate mohou procesory fungovat při nižším napětí s nižším únikem energie, takže oproti předchozím procesorům nabízejí bezkonkurenční kombinaci energetické účinnosti a výkonu. To poskytuje zvláštní flexibilitu konstruktérům čipů, kteří si mohou vybírat tranzistory určené pro nízkou spotřebu anebo naopak vysoký výkon - vše podle typu aplikace.

Trojrozměrné 22nm 3D tranzistory nabízejí oproti plochým tranzistorům Intel 32nm nárůst výkonu o 37 procent při nízkém napětí. Díky této úspoře jsou tranzistory ideální pro použití v malých úsporných kapesních zařízeních. Nové tranzistory spotřebují méně než polovinu energie potřebné pro staré tranzistory na 32nm čipech.

"Výkonnostní nárůst a úspora energie trojrozměrných tranzistorů Tri-Gate jsou něčím, co jsme v dějinách výpočetní techniky zatím neviděli," říká Mark Bohr, výzkumný pracovník společnosti Intel. "Tento milník je něco víc než jen další dodržování Mooreova zákona. Rozdíl ve spotřebě energie je podstatně větší, než na jaký jsme zvyklí při vývoji od starší generace k nové. Výrobci díky tomu mohou vyrábět ještě inteligentnější přístroje a samozřejmě to umožní i vývoj zcela nových zařízení. Domníváme se, že tento revoluční krok ještě posílí vůdčí postavení společnosti Intel v oblasti polovodičů."

Pokračování v tempu inovace - Mooreův zákon

Tranzistory jsou menší, levnější, energeticky úspornější a v souladu s Mooreovým zákonem. Ten byl pojmenován po spoluzakladateli společnosti Intel Gordonu Mooreovi. Zákon umožňuje společnosti Intel inovovat a inovace dál integrovat, obohacovat své technologie o nové vlastnosti, rozšiřovat počet jader na čipech, zvyšovat výkon a snižovat výrobní náklady na tranzistor.

Udržet vývoj Mooreova zákona je u 22nm generace ještě složitější, než tomu bylo v minulosti. Výzkumní pracovníci společnosti Intel však tento vývoj očekávali, a proto již v roce 2002 přišli s konceptem tranzistoru, který označili jako Tri-Gate. Dnes představená novinka je tak vyvrcholením několikaletého vývoje, na němž se podílely různé divize společnosti a který vyústil v uvedení tohoto tranzistoru do sériové výroby.

Trojrozměrné tranzistory Tri-Gate jsou opravdu revoluční. Tradiční ploché tranzistory byly nahrazeny neuvěřitelně tenkou trojrozměrnou křemíkovou vrstvou, jež vertikálně vystupuje z křemíkového substrátu. Kontrola proudu je zajištěna bránou na každé ze tří stran zmíněné vrstvy - dvě brány po stranách a jedna nahoře namísto pouhé jedné nahoře, jako je tomu u dvojrozměrných tranzistorů. Dodatečný tranzistor umožňuje maximální tok proudu při požadovaném vysokém výkonu a naopak téměř nulový tok v případě, že výkon očekáván není. Díky tomu se podařilo výrazně snížit spotřebu a tranzistor dokáže velice rychle přecházet mezi dvěma výše zmíněnými stavy, což opět vede k vyššímu výkonu.

Stejně jako mrakodrapy umožňují městským architektům optimalizovat dostupné místo tím, že se staví směrem vzhůru, tak trojrozměrný tranzistor Tri-Gate nabízí konstruktérům počítačů způsob, jak řídit hustotu. Tranzistorové ploutve jsou vertikální, tudíž je možné je umisťovat velice blízko sebe, což má klíčový význam pro technologické a ekonomické přínosy Mooreova zákona. V budoucích generacích budou konstruktéři moci zvyšovat výšku těchto ploutví a dosahovat ještě vyššího výkonu a energetické úspornosti.

"Léta nás omezovala velikost tranzistoru," prohlásil Gordon Moore. "Tato změna v základní struktuře představuje vskutku revoluční přístup. Je to přístup, který by měl umožnit další pokračování Mooreova zákona a historického tempa inovace."

První představení 22nm 3D tranzistorů Tri-Gate

Tranzistor Tri-Gate bude implementován v novém 22nm výrobním procesu, který označuje velikost tranzistoru. Do tečky na konci této věty by se vešlo přes 6 milionů tranzistorů Tri-Gate.

Mikroprocesor Ivy Bridge

Společnost Intel také představila první 22nm mikroprocesor označovaný jako Ivy Bridge pro notebooky, stolní počítače a servery. Právě procesory Intel Core budou prvními čipy, které budou využívat tranzistory 3D Tri-Gate. Procesory Ivy Bridge se začnou sériově vyrábět do konce roku.

Dosažený průlom rovněž umožní uvést na trh další produkty postavené na procesorech Intel Atom, které umožní vyšší škálovatelnost výkonu, funkčnosti i kompatibility, přičemž zároveň uspokojí požadavky na výkon, náklady a velikost.

Jak málo je 22 nanometrů:

Jedna věc je tranzistor Tri-Gate navrhnout, druhá pak uvést ho do výroby. Továrny společnosti Intel vyrábějí před 5 miliard tranzistorů každou sekundu. To je 150000000000000000 tranzistorů ročně neboli přes 20 milionů tranzistorů na každého muže, ženu a dítě žijící na naší planetě.
Ve srovnání s prvním mikroprocesorem Intel, jímž byl model 4004 uvedený v roce 1971, běhá 22nm CPU 4000krát rychleji a každý tranzistor spotřebuje 5000krát méně energie. Cena tranzistoru klesla zhruba 50000krát.
První tranzistor, který v roce 1947 vyrobila společnost Bell Labs, byl tak velký, že se skládal dohromady ručně. Pro srovnání: na špendlíkovou hlavičku by se vešlo přes 100 milionů 22nm tranzistorů Tri-Gate.
Kdyby se lidská obydlí zmenšovala jako tranzistory, nebyla by dnes viditelná bez mikroskopu. Pokud by měl být 22nm tranzistor vidět pouhým okem, pak by čip musel být větší než dům.
22nm tranzistor se dokáže přepnout 100miliardkrát za sekundu. Kdybyste tolikrát chtěli rozsvítit a zhasnout, trvalo by vám to 2000 let.
Brány 22nm tranzistoru Tri-Gate jsou tak malé, že do šířky lidského vlasu se jich vejdou 4 tisíce.
Do tečky na konci této věty by se vešlo přes 6 milionů 22nm tranzistorů Tri-Gate.