Intel tänjer på gränserna med 22 nanometerstekniken

Intels position på marknaden inom tillverkningstekniker är inget annat än imponerande. Vi ser att övriga aktörer inom halvledarindustrin håller på att migrera över till 32 och 28 nanometerstekniker, medan för Intel är det från och med idag historia. De har sedan månader tillbaka massproducerat processorer på den nya 22 nanometerstekniken, med en ny typ av banbrytande transistor som andra fortfarande endast experimenterar med.

Den så kallade 3D-transistorn från Intel har det varit tal om sedan de första började prata om den offentligt maj förra året, men vad är egentligen denna 3D-transistor eller som den egentligen heter Tri-gate? Transistorerna är inte mycket mer tredimensionella än tidigare, men samtidigt är det inte helt fel att säga att Intel lagt till en tredje dimension på transistornivå.

Problemet med mindre transistorer

En transistor fungerar i princip som en strömbrytare med två lägen – 1 (på) och 0 (av). När transistorn är 1 så ska så mycket ström som möjligt kunna flöda igenom den, och när den är 0 så ska så lite som ström som möjligt göra det – optimalt är om man helt kan stoppa strömflödet. Om inte det var nog, så måste en transistor klara av att slås av och på så fort som möjligt. Antalet gånger en transistor slås av och på i sekunden, är det vi kallar för klockfrekvens. Intel Core i7-3770K vi testar idag har en klockfrekvens på 3,5 GHz (GigaHertz), vilket innebär att transistorerna i processorkärnorna slås av och på 3,5 miljarder (3 500 000 000) gånger i sekunden!

Vi kan krympa transistorer, och få plats med fler på samma samma yta som tidigare – strömmen eller rättare sagt elektronerna är inte lika lätt, eller rent ut sagt omöjligt att krympa. Våra kära elektroner har alltid haft samma storlek och kommer alltid att ha det. Jakten på snabbare processorer gör att elektronerna blivit allt större i förhållande till en transistor, och gärna försvinner iväg. Det här är det lömska strömläckaget vi tjatar om varje gång en ny tillverkningstekniker kommer på tal, och problemet fortsätter bara att växa. Det här är en av många anledningar till att vi inte får ut samma resultat av nya tillverkningstekniker idag, som för flera år sedan – vi kommer allt närmare en gräns där fysikens lagar säger ifrån.

High-K Metal Gate en av många tekniker

Vi har under mycket lång tid försöka lägga plåster på strömläckaget och lindra det, med bra resultat. Bulk och Silicon-on-Insulator (SOI) introducerades för många år sedan för detta, medan HKMG (High-K, Metal Gate) är en av de senare.

Tidigare hade kiseldioxid (SiO2) använts mellan transistorporten och strömflödet för att slå på och av transistorn. I takt med att vi krympte våra transistorer ytterligare blev kiseldioxidlagret allt tunnare, vilket i sin tur bidrog till ett kvantfenomen som kallas tunneldrivning eller Quantum Tunneling. Antalet transistorer som kiseldioxid-lagret var uppbyggt av blev så litet, att elektroner klarade av att pressa sig igenom på platser där det egentligen inte borde vara möjligt.

Intel_Wafer_PenrynIntel Penryn – världens första kommersiella krets med HKMG

Intel var först i världen att introducera HKMG, och de valde att använda hafniumdioxid (HfO2) för att ersätta kiseldioxiden. Förutom högre kapacitans sänktes strömläckaget avsevärt. Utan tekniker som dessa så hade det kisel vi bygger våra processorer och kretsar av, bokstavligt talat brunnit upp så fort vi slagit på vår dator eller vad det nu är för elektronik man använder sig av. Det är alltså inga prestandahöjande medel det handlar om, utan ett absolut måste i jakten på högre prestanda och lägre strömförbrukning.

Tri-gate nästa steg i utvecklingen

Tri-gate är ytterligare en teknik för att lägga band på strömläckaget, och liknar väldigt mycket FinFET även om Intel officiellt inte vill erkänna det. I vår intervju med Intels Europachef, Patrick Bliemer diskuterade vi just deras 22 nanometersteknik men även den kommande 14 nanometerstekniken, som väntas gå in i ett massproduktion under första halvan 2014. Det här var tyvärr en del som inte kom med i vår artikel om intervjun så vi tar det här istället.

Vi frågade om Tri-gate-transistorerna verkligen var nödvändiga på 22 nanometer – hade man klarat sig utan tekniken? Alla foundries kommer inte börja använda någon form av 3D-transistor förrän 14 nanometer, så samma sak borde gälla Intel. Vi fick svaret att det definitivt hade varit möjligt, men att Intel inte hade blivit nöjda med resultatet. Tri-gate ökar även tillverkningskostnaderna, men fördelarna överväger nackdelarna menade han på. Tri-gate ökar totalt tillverkningskostnaderna med två till tre procent. Intel övervägde även SOI, men detta hade gett ett prispåslag på tio procent.

Så vad gör transistorn speciell?

Vad är egentligen Intels Tri-gate-transistor? Det som används överallt idag är så kallade ”Planar transistors”, alltså plana transistorer. De plana transistorerna har en plan yta där strömmen kan flöda (Inversion Layer, Inversionsskikt), och över den finns en port (Gate) som har uppdraget att stänga av och på transistorn. Vad Tri-gate-transistorn gör är att den stänger av och på strömflödet i en transistor från tre olika dimensioner, då inversionsskiktet numera är en fena som står upp.

Intel-22nm_Transistor_2Intels Tri-gate-transistorer på 22 nanometer under mikroskopet

I jämförelsen ovan har Intels Tri-gate-transistor bara en fena, men beroende på användningsområde kan flera fenor användas. Fler fenor resulterar i att man kan få igenom mer ström när det behövs, vilket i sin tur leder till högre potentiell prestanda. Om en del i en processor ska köras i relativt låga klockfrekvenser kan det räcka med en transistor som har en ensam fena, medan snabbare delar som själva processorkärnan kan få transistorer utrustade med flera fenor för ett högre strömflöde.

En plan 32 nanometertransistor, bredvid Intels 22 nanometertransistor med fenan till höger

Porten som stänger av och på omringar nu fenan från tre olika håll samtidigt, vilket gör att den släpper igenom mindre ström när transistorn är avstängd. Transistorer med flera fenor kan i sin tur också öka klockfrekvenserna till nya höjder. Man har alltså lyckats förbättra transistorn på de tre viktigaste punkterna:

  • Högre strömflöde
  • Lägre strömläckage
  • Högre klockfrekvenser (snabbare på och avslagning)

Tekniken i sig är lovande om vi ska lita på Intels uppgifter. Med lägre spänning (0,7V) ska den nya tillverkningstekniken med Tri-gate-transistorerna bjuda på 37 procent högre prestanda med samma strömförbrukning som tidigare. Med något högre spänning (1,0V) ligger ökningen på 18 procent. Vi kommer alltså få se störst skillnad på företagets mobila utbud med hjälp av den nya transistorn, men inte minst tillverkningstekniken på 22 nanometer.

Annons

16
Leave a Reply

Please Login to comment
16 Comment threads
0 Thread replies
0 Followers
 
Most reacted comment
Hottest comment thread
13 Comment authors
Anton Karmeheddj christianSnorchxemacsLagl0rden Recent comment authors
  Subscribe  
senaste äldsta flest röster
Notifiera vid
flopper
Medlem
flopper

trist med värmebekymret.
men 4.7ghz med bättre ipc är ok även om inte optimalt.

Anton Karmehed
Admin

Nä det är lite tråkigt som sagt, MEN det är ju något som en ganska liten del av konsumenterna kommer lida av. Håller man sig bara ett par 100 MHz från maxklock så är tempsen klart överkomliga och energiförbrukningen är fortfarande låg.
Men ska bli intressant att se om Intel kan förbättra detta framöver.

zingo
Gäst
zingo

I testet borderlands så stämmer inte rangordningen tycker jag. Högsta FPS resulterar inte i högsta placering 😉

Anton Karmehed
Admin

Ah ja där har det blivit något knas. Vi löser det i morgon! 🙂

Svensken
Medlem
Svensken

IPC är bättre och strömförbrukningen i stock klock är bra. Men så fort man överklockar går den upp i vad Sandy Bridge klarar bara det att denna blir väldigt varm. Visserligen presterar denna bättre ändå tack vare IPC men hade nog trott på en liten ökning i max klock.

Kan det vara tri-gate transistorerna som inte kan leda bort all värme eller?

-Tjalve-
Gäst
-Tjalve-

Hmm. Det kan inte vara så att det är dålig överföring mellan själva chippet och heatspreadern? Med tanke på att Kylaren inte blir särskilt varm även vid hög belastning?

Robert Esping
Medlem
Robert Esping

På sidan 7 nämns att det saknas virtualisering VT-d, SIPP, vPro och TXT på vissa modeller. Modellerna ”K” som är upplåsta för överklockning saknar tydligen dom.
Endera en som är full med funktioner eller en avskalad och olåst, för man kan inte få hela kakan.
Varför jag reagerade på det här, är för att jag tycker virtualisering verkar intressant och har många möjligheter 🙂

Marquzz
Medlem
Marquzz

Känns ju rätt bra att jag inte satt och väntade på detta utan köpte en 2500K istället. Den lär ju utan problem överleva till nästa generation. Tror att Intel tänkt att IB ska vara till de med äldre grejer.

Anton Karmehed
Admin

[quote name=”-Tjalve-”]Hmm. Det kan inte vara så att det är dålig överföring mellan själva chippet och heatspreadern? Med tanke på att Kylaren inte blir särskilt varm även vid hög belastning?[/quote]Det skulle mycket väl kunna vara en anledning. Men jag tror samtidigt inte det, problemet verkar vara konsekvent och en tillverkningsmiss med heatspreadern tror jag inte Intel hade släppt igenom. [quote name=”Marquzz”]Känns ju rätt bra att jag inte satt och väntade på detta utan köpte en 2500K istället. Den lär ju utan problem överleva till nästa generation. Tror att Intel tänkt att IB ska vara till de med äldre grejer.[/quote]Ja för… Läs hela »

bran
Medlem
bran

Vad är anledningen till att byta ut WinRaR testet? Jag menar, det är ju ett reellt test och inget syntetiskt benchmark?

Lagl0rden
Gäst
Lagl0rden

Tack för en bra recension! och nytt rekord i antalet sidor eller? 🙂 får läsa noggrannare sen hemma.

men det låter bra allt det där… Undras om jag kan köra civ i 2560×1600, med inte alltför mycket lull-lull, får prova och om det inte funkar köpa graffe-kort (eller fortsätta köra civ IV)

Fredrik
Medlem
Fredrik

Riktigt bra recension.

Men… måste det verkligen testas 3 olika renderingstester? Cinebench räcker om ni frågar mig. Jag skulle hellre se att de två andra testerna byttes ut mot annat CPU-intensivt.

Ett förslag istället skulle kunna vara ett kompileringstest, säg Linuxkärnan, Chromium, Firefox eller något sådant.

Vad det andra skulle vara vet jag inte, men det måste finnas något annat än mer renderingstester. 😛

Snorch
Medlem
Snorch

Hade först planer på att skaffa lite nya saker, 2500k såg bra ut eller nya 3570k. När den nya inte var så mycket bättre struntade jag i den och tänkte köra på 2500k istället. Men då såg jag priset på 2700k, dryga 2000kr, så då blev det en sån. Det får man nog anse vara ett bra pris. 🙂

Angående VT-d kan jag bara instämma, idiotisk att det inte finns på k processorerna.

dj christian
Gäst
dj christian

Vilket nätagg använde ni?

Anton Karmehed
Admin

[quote name=”xemacs”]Riktigt bra recension. Men… måste det verkligen testas 3 olika renderingstester? Cinebench räcker om ni frågar mig. Jag skulle hellre se att de två andra testerna byttes ut mot annat CPU-intensivt. Ett förslag istället skulle kunna vara ett kompileringstest, säg Linuxkärnan, Chromium, Firefox eller något sådant. Vad det andra skulle vara vet jag inte, men det måste finnas något annat än mer renderingstester. :P[/quote] Du har helt klart en poäng Xemacs. Våra CPU-prestandatester har ändrats en del under året som gott och tyvärr är inte heller vi helt nöjda med upplägget och spridningen på de olika testerna. Vi arbetar… Läs hela »