Test Core i7-3770K vs Core i7-2700K - Ivy Bridge vs Sandy Bridge

Tranzystory 3-D Tri-Gate

Jak wspomnieliśmy na poprzedniej stronie, Intel w przypadku najnowszej architektury Ivy Bridge nie ograniczył się jedynie do zmniejszenia procesu produkcyjnego do 22nm. Wraz z wprowadzeniem licznych poprawek zmieniono także najmniejszy element procesorowej układanki. Można rzec, że ten najważniejszy, bo to od niego zależą pozostałe części składowe CPU - mowa rzecz jasna o tranzystorach. Ivy Bridge jest pierwszym procesorem zbudowanym z wykorzystaniem tranzystorów 3D Tri-Gate. W dużym skrócie klasyczne, płaskie (zwane planarnymi) tranzystory wykonane w 32nm w Sandy Bridge zastąpiono przestrzennymi, skalowalnymi 22nm tranzystorami Tri-Gate. Ponoć na główce szpilki zmieści nie mniej niż 100 milionów takich tranzystorów. Kolejne „fun-facts”  mówią nam też, że są one zdolne do włączenia i wyłączenia ponad 100 miliardów razy w ciągu jednej sekundy, co przy klasycznym włączniku zajęło by nam koło 2000 lat.

Czym jednak jest tytułowy "trójwymiarowy, trzy-bramkowy" tranzystor? Wyjaśnienia zaczniemy od poprzednio używanych, płaskich tranzystorów. Zbudowane są na podłożu krzemowym, a tlenki tworzą swego rodzaju koryto rzeczne. Na środku jest tama zwana bramką, po jej jednej stronie jest źródło, a po drugiej jest dren. Jeśli bramka jest włączona, to pod nią w podłożu krzemowym tworzy się swego rodzaju kanał przewodzący, bogaty w wolne elektrony. Prąd może swobodnie płynąć ze źródła do drenu, a tranzystor znajduje się w stanie przewodzenia.

Gdy bramka zostanie wyłączona, podłoże jest pozbawiane wolnych elektronów. Tworzy się obszar zubożenia pozbawiony elektronów i prąd może płynąć tylko w śladowych ilościach. Ten prąd, zwany też prądem upływu, nie jest czymś pożądanym, bo im jest większy, tym więcej energii jest traconej. To stanowi największy problem zwykłych tranzystorów i co gorsza problem ten rośnie wraz ze zmniejszeniem procesu technologicznego. Im tranzystor jest mniejszy, tym bliżej siebie źródło oraz dren się znajdują i ciężej jest zapanować nad upływem prądu.

Rozwiązaniem tego problemu jest uprzestrzennienie płaskich tranzystorów i właśnie tym sposobem powstała idea tranzystorów 3D Tri-Gate. Taki tranzystor (widoczny na poniższych obrazkach) składa się wciąż z podłoża krzemowego i brzegów będących tlenkami. Jednak tym razem "koryto rzeki" zostało zastąpione krzemowym finem "wyrastającym" w górę z podłoża w głąb bramki. Po obu jej stronach dalej znajduję się źródło i dren. Gdy owa bramka jest włączona, tunel przewodzący bogaty w wolne elektrony tworzy się na 3 ścianach fina (niebieski kolor) zwiększając tym samym łączną powierzchnię, na której ów kanał przepuszczający prąd może się utworzyć.

Wyłączenie bramki skutkuje utworzeniem się zubożonego, pozbawionego wolnych elektronów obszaru, znacznie lepiej oddzielającego źródło od drenu (obszar nad przerywaną kreską na lewym obrazku). Taka budowa skutkuje znacznie niższymi prądami upływu, a ponadto nic nie stoi na przeszkodzie zwiększeniu liczby finów i spięciu ich w zespoły, zwiększając wydajność prądową pojedynczego tranzystora (obrazek po prawej).

Taka przestrzenna konstrukcja pozwala na zachowanie przepustowości (natężenia prądu płynącego między źródłem a drenem) tranzystora Tri-Gate, jednocześnie zmniejszając prąd upływowy przy zamkniętej bramce (lewy obrazek poniżej). Można jednak zmontować "Tri-Gate" w taki sposób, by "przesunąć" jego charakterystykę (prawy obrazek). Prąd upływowy wzrośnie do poziomu zwykłych planarnych tranzystorów, ale zachowana przepustowość będzie osiągalna przy niższych napięciach bramki. Pozwoli to chociażby na przygotowanie rozwiązań niskonapięciowych.

Czas przełączania się tranzystora płaskiego dość mocno rośnie wraz ze spadkiem napięcia jego pracy. Sama zmiana procesu technologicznego z 32 na 22nm przyniosła by poprawę wydajności, jednak charakterystyka wciąż nie sprzyjałaby pracy przy niskich napięciach zasilających (lewy obrazek). Z pomocą przychodzi Tri-Gate, który według Intela przy typowych napięciach pracy zapewniać ma o 18% szybsze przełączanie, ale aż o 37% szybszą pracę przy niskim napięciu pracy. Wprawne oczy zauważą, że 22nm w wersji Tri-Gate pozwala na taką samą prędkość pracy przy blisko 0,2V niższym napięciu pracy niż w przypadku płaskiego rozwiązania w 32nm.

Nowe tranzystory Intela zapewniają lepszą charakterystykę przełączania, są szybsze i mają większą różnicę między prądem upływu wyłączonego, a prądem przewodzenia włączonego tranzystora. Znacząco poprawiają wydajność na niższych napięciach. Dzięki skalowalności (wiele finów na tranzystor) cechują się lepszą sprawnością prądową na tej samej powierzchni. Są też znacznie odporniejsze na SER ;) (Soft Error Rate), czy zróżnicowania związane z domieszkowaniem kanału przewodzenia, a to wszystko za jedynie 2-3% wyższą cenę. Chipy wykonane z wykorzystaniem tranzystorów Tri-Gate zapewnią wyższą wydajność, mniejsze zużycie energii i mniejsze jej straty związane z upływem, z czego skorzystają nie tylko serwery, ale i przede wszystkim rozwiązania mobilne jak laptopy, tablety i smartfony.

• « pierwsza
• ‹ poprzednia
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9
• …
• następna ›
• ostatnia »