Intel revoluciona el transistor

Intel revoluciona el transistor

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Intel anuncio el día viernes un nuevo proceso productivo para fabricar sus futuros procesadores en 45nm. Esta nueva tecnología para la fabricación de microprocesadores de silicio promete mejoras a nivel de frecuencias, disipación de calor y eficiencia en el funcionamiento de los transistores. El siguiente artículo es una clase magistral de nuestros expertos Tbon y AlCapone: lectura recomendada.

Introducción

Desde hace un tiempo Intel viene hablando de lo importante que es la relación rendimiento/watt. Esto no es nuevo ya que muchos entendidos veían venir esta situación, donde el consumo es demasiado alto para la miniaturización y por tanto la ley de Moore, esa que habla de doblar la cantidad de transistores cada 18 meses, ve cada vez mas cerca su fin.

Todos los fabricantes de procesadores actuales saben que si no son capaces de mejorar el rendimiento sin que el consumo eléctrico haga humo sus productos, estarán fuera del mercado. Esto no excluye al fabricante Nº1 de procesadores, Intel.

Intel es una de las compañías de microprocesadores, junto con IBM, que mas investiga en la fabricación y comportamiento de los transistores. La razón de esto es muy sencilla: el transistor es la base fundamental para poder fabricar un procesador, en otras palabras, mientras más avanzado sea este, mayores posibilidades hay de que su procesador sea un éxito. No obstante, existe una limitante para que esto sea posible y es que las tecnologías de fabricación deben poder llevarse acabo, es decir, ser viables, tanto tecnica como economicamente.

Intel hasta el momento sólo ha hecho un avance importante en lo que es la fabricación de transistores en el ámbito del rendimiento/watt, bautizado como Strained-SI (silicio estirado) que permitía mayor rendimiento y menor consumo. Sin embargo no fue suficiente para reducir el consumo de los procesadores Prescott (que fueron los que debutaron con esta nueva tecnología). Por otro lado, IBM estaba ya implementando un nuevo sistema llamado SOI (Silicon On Insulator) que proporcionaba complementariamente al Strained SI un rendimiento y consumo por transistor aun menor. Intel nunca adoptó esta nueva forma de fabricación argumentando que estaban trabajando en algo mejor para el 2007 y fueron criticados por ello, hasta ahora.

En estos días la misma empresa ha revelado un nuevo sistema de fabricación de transistores llamado High K + Metal Gate que seria implementado en los nuevos procesos de fabricación a 45nm y que pretende ser el mas revolucionario avance en el área de los últimos 40 años (o por lo menos Gordon Moore lo cree así).

El transistor, la base de tu computador

Los transistores son pequeños armados capaces de prenderse y apagarse a voluntad que desde la decada de los 60 están formados por 4 partes básicas: Gate Electrode (Puerta Electrodo), Dielectric Gate (Puerta Dieléctrica), Source (Fuente) y Drain (Drenaje). Entre la “Fuente” (S en el grafico) y “Drenaje” (D en el grafico) fluye la electricidad, mientras que la “puerta electrodo” controla cuando hay flujo eléctrico, y cuando no, esto lo hace bajo el concepto de “Field Effect” o efecto de campo, como hablamos de semiconductores, estamos hablando de materiales que pueden o no conducir electricidad a voluntad.

El “gate dielectric” (puerta dieléctrica) es una capa de Dióxido de silicio que permite aislar la puerta Electrodo (fabricado de polisilicio en los chips actuales), de la fuente (source) y el drenaje (drain) para disminuir las fugas eléctricas que provocan mayor consumo y disminuyen la respuesta de los transistores, el factor de constante dieléctrica (de polarizacion entre aislacion y conducción) de la puerta dieléctrica, es el llamado factor “K”, sin embargo este factor K no es suficiente actualmente como para frenar el escape de energía que cada vez es mas grande a medida que se van miniaturizando los procesos de fabricación.

Podemos decir básicamente que los transistores hacen posible tener como base el sistema o lenguaje binario: prendido significa 1, apagado significa 0, sin embargo diferentes problemas hacen que al momento de prenderse el transistor no estamos ocupando el 100% del potencial eléctrico lo que los hace poco eficientes, y al momento del apagado el trafico eléctrico no baja a 0 lo que genera problemas de escapes de energía que a la larga generan mas calor y consumo.

High K + Metal Gate

High K + Metal gate, es un proceso de fabricación que reemplaza los materiales con que se construye la Puerta Dieléctrica y la Puerta Electrodo actualmente y desde hace 40 años, por otros que generan menos perdida de poder en estados inactivos y mayor conductividad y eficiencia en estados de actividad, por lo que aminora el consumo eléctrico y la disipación de calor, así como mejora la respuesta de los transistores.

Estos serian los números de Intel:

– Mejora al doble la densidad de transistores posibles, permite mayor cantidad de transistores o mayor miniaturización
– Una reducción del 30% del consumo en el cambio encendido/apagado por transistor
– Reduce en 5 veces la perdida eléctrica en el paso de la fuente al drenaje en el transistor (Source to Drain)
– Reduce en 10 veces el escape de energía en la Puerta Dieléctrica del transistor.

Explicación en profundidad

Como ya les comentamos el gran problema es que en los transistores al momento de prenderse no son capaces de hacerlo al 100% del potencial eléctrico, y cuando esta apagado tampoco es capaz de dejar de conducir electricidad por completo, lo que se traduce en perdidas de poder.

El transistor prendido deja pasar la carga de la fuente al drenaje
El transistor en su estado apagado, disminuye al mínimo el paso eléctrico, pero no llega a cero.
Posteriormente Intel disminuyo el tamaño de la puerta dieléctrica, de esta manera aumentaba mas la eficiencia eléctrica y también disminuía el transito en estados inactivos.
Sin embargo la disminución del tamaño de la puerta dieléctrica trae como consecuencia escapes de energía, que generan mayores consumos, y generación de calor ya que el transistor en ningún momento es capaz de llegar a un momento de inactividad, esto se acrecenta a medida en que se va avanzando en la miniaturización de los procesos de fabricación.
Además se genera un problema bastante serio en la puerta Electrodo, ya que el polisilicio, por su constitución como material semiconductor, sufre una disminución de su potencial conductor en el sector donde se conecta con la puerta dieléctrica lo que disminuye la responsividad del transistor.


Los avances para Penryn

Una parte del avance que Intel ha anunciado es la incorporación en los procesos de fabricación a 45nm de la estructura del transistor un Metal Gate, o electrodo de puerta de entrada que es un compuesto con co
nductibilidad metálica (por ende bastante alta, sobre todo comparada con la de un semiconductor) que remplazaría a la puerta actual de Silicio Policristalino Dopado (Polisilicio), que por su naturaleza semiconductora sufre fatiga superficial (piensen en una persona caminando por un camino de piedras y en otra caminando por uno completamente liso: en el primer caso de vez en cuando uno patea sin querer una piedra y se sale del camino mientras en el otro uno camina por encima sin mover nada). Cuando los transistores se reducen extremadamente, es necesario hacer el Gate muy fino (alrededor 1 nanómetro en tecnologías avanzadas como la actualmente presentada por Intel) y la presencia de una Metal Gate en vez de un Gate de Semiconductor elimina completamente el agotamiento mencionado anteriormente. El componente de estas puertas de metal no ha sido revelado todavía por parte de Intel, pero en otros trabajos en el área se ha experimentado con resultados satisfactorios usando como metal nitruro del tantalio o de tungsteno

El segundo avance de Intel es el llamado High K , como ya mencionamos el factor “K” tiene que ver con la polarizacion que alcanza un material determinado no conductor, por lo que mientras mayor “K”, mayor diferencia habrá entre el estado “aislado” y el estado de conducción (que se genera cuando se le ejerce un campo eléctrico apropiado), para que fuera esto posible era necesario encontrar un material que proporcionara mas de 3.9 K que era capaz el Dióxido de Silicio que es ocupado hasta ahora, de esta manera dieron con el Hefnium, un material estable que tiene una constante “K” mas elevada, además permite que el grosor de la puerta dieléctrica sea mayor que la que proporcionaba el dióxido de silicio, lo que genera menor escape de energía en el estado “apagado” del transistor y mayor eficiencia en los estados “prendido” del mismo, aminorando el consumo y por tanto aminorando la disipación de calor considerablemente.


Conclusiones

Intel anuncio que son los únicos capaces de poder tener esta tecnología este año, sin embargo y a pesar de que Intel aseguro que ninguna otra empresa estaba cerca de emplear un sistema similar, IBM ya declaro estar en el mismo rumbo sobre High k + Metal Gates que estaría disponible para el 2008, lo que significa seguramente, si es que IBM cumple con lo que dice, que AMD podría estar el próximo año funcionando con la misma tecnología.

La necesidad de mayor poder de cómputo, menor disipación térmica y escalabilidad a tecnologías de menor tamaño han hecho necesario el cambio radical en el diseño de los transistores. Con ésta nueva mirada se obtendrán procesadores mucho más eficientes en términos de rendimiento y de uso de energía disponible, ya que la cantidad de energía que demanden será mucho más aprovechada. Estas tecnologías serán parte del estándar por los próximos 6 a 8 años, donde todavía un acercamiento de éste tipo es válido, dado que se podrá disminuir el tamaño de los transistores teniendo dispositivos todavía funcionales, siendo potenciados por una posible adopción de algún tipo de dopaje en el Silicio (SOI) al más puro estilo IBM y AMD. Ahora, al bajar de la barrera de los 22 nm ninguna de las compañías tiene nada muy claro, ya que existen factores que hacen imposible perpetuar ésta tecnología en aras de seguir aumentando la performance de los procesadores. La técnica de Litografía empleada en la construcción de los actuales transistores tiene un límite físico de 8 nm y además los problemas de resistividad aumentan exponencialmente en la medida que se van achicando los componentes. Soluciones ante esto ya están siendo estudiadas y, al menos, podemos mencionar dos líneas claras de desarrollo: llevar la memoria fuera del procesador lo que seria una forma paliativa de poder lograr mejores rendimientos sin la necesidad imperativa de aumentar la cantidad de transistores que generalmente se gastan en memorias caches y la otra son los procesadores basados en fenómenos ópticos, que como ventaja tienen la menor cantidad de disipación térmica, la mayor velocidad y la manejabilidad de los fotones.

Lo que pase en el futuro lejano es todavía una incógnita sin solución clara, pero en el futuro cercano ya sabes que esperar del gigante azul y lo leíste primero en ChileHardWare.


Glosario:

– Material Dieléctrico: material o elemento aislante, o no conductor como papel o madera, pero que llegado un punto en base a un campo eléctrico grande, se vuelve conductor.

– Strained SI: Es una técnica en que se estira el Silicio más allá de su distancia interatómica normal. Se logra poniendo al Silicio sobre un sustrato de SiGe, es decir, una aleación de Silicio y Germanio. Al mover los átomos más lejos unos de otros, se reducen las fuerzas que intervienen con el movimiento de los electrones a través de los transistores.

– SOI (Silicon On Insulator): Se refiere al uso de un sustrato de silicio-aislador-silicio en lugar de los sustratos convencionales de silicio. En el caso de la microelectrónica, se usa como aislante Óxido de Silicio para mejorar la eficiencia de los transistores, reduciendo considerablemente la disipación térmica de éstos mismos.

– Flujo Eléctrico: Cantidad de Corriente que pasa por una determinada área

– Efecto de Campo (Field Effect): Hace que un transistor cambie la forma y por tanto la conductividad de un semiconductor dependiendo del campo eléctrico al que es sometido.

– Semiconductor: Sólido cuya conductividad eléctrica puede ser controlada. Su conductividad tiene un gran rango posible y puede controlarse permanente o dinámicamente.

– Potencial Eléctrico: Energía potencial por unidad de carga asociada a un campo electroestático. Funciona como la presión: cuando cambia, hace que aparezca una fuerza que hace mover a las partículas.

– Consumo Eléctrico de CPU: Es la energía que hace mover a los transistores y además que se pierde en forma de calor gracias a la resistencia eléctrica de los circuitos eléctricos. Factor a minimizar en el concepto de Performance/Watt.

– Eficiencia: En este caso, la capacidad de consumir toda la energía eléctrica que se le entrega al sistema en el tráfico de la corriente por los transistores, minimizando lo menos posible las pérdidas por roce, causantes de la generación de calor.

– Cristal ó Policristal: Estructura molecular con un orden regular y en que aparecen patrones de posicionamiento en todas sus dimensiones. Policristal es una estructura formada por muchos cristales y que también posee características de regularidad.

– Metal: Material que posee bandas de conducción traslapadas y bandas de valencia en su estructura electrónica. Son capaces de conducir fácilmente y tienen resistividad muy pequeña.

– Resistividad: Medida de cuánto se opone un material al paso de corriente eléctrica.

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