טכנולוגיית ייצור הטרנזיסטורים התלת-מימדיים שאותה פיתחה אינטל ב-10 השנים האחרונות, מקטינה במחצית את צריכת ההספק של מעבדיה, וממצבת אותה במקום חדש בשוק המערכות הניידות
מאת: רוני ליפשיץ
הקשיים הגוברים והעלויות הנוסקות של המשך תהליך המיזעור בתעשיית השבבים מתחילים להשאיר את חותמם בתעשייה: התופעה המוכרת מהעשור הקודם, שלפיה כל התעשייה עוברת מדור ייצור אחד לדור מתקדם יותר, כמעט בו-זמנית כמו במצעד צברי, הולכת ונעלמת. יותר ויותר חברות נמנעות היום מביצוע המעבר לגיאומטריות ייצור חדשות, או שהן משתדלות לדחות אותו למועד המאוחר ביותר האפשרי.
הדבר אינו מפתיע, ואף היה צפוי מראש. לכן מתבצעים בעשור האחרון מחקרים רבים המתמקדים בשינוי מבנה הטרנזיסטורים בתוך השבב, שנועד להגדיל את צפיפות הטרנזיסטורים על פרוסת הסיליקון בלא להקטין את גיאומטריית הייצור הבסיסית. רוב המאמצים מכוונים לייצור במה שקיבל את הכינוי “טרנזיסטור תלת-מימדי”. הכוונה היא לייצר טרנזיסטורים אנכיים ובעלי תכונות חשמליות משופרות, ולא טרנזיסטורים המיוצרים היום במבנים אופקיים על-גבי פרוסת הסיליקון.
בחודש הקודם התברר שאינטל הגיעה ראשונה אל הייצור התלת-מימדי. במסיבת עיתונאים מקוונת ורבת משתתפים, היא הודיעה על סיום תהליך הפיתוח של טרנזיסטור תלת-מימדי ועל הכנסת התהליך לייצור בכל המפעלים העובדים בגיאומטריה של 22 ננו-מטר, ובכלל זה מפעל הייצור של אינטל בקרית-גת.
כדי להמחיש את גודלו של טרנזיסטור Tri-Gate בגיאומטריה של 22 ננו-מטר, ניתן לומר שבכל נקודה שבסוף כל משפט במאמר זה, ניתן לדחוס 6 מיליון טרנזיסטורים. או במילים אחרות, 100 מיליון טרנזיסטורים ייכנסו ברווחה לראש סיכת תפירה (שקוטרה הממוצע הוא כ-1.5 מ”מ).
דדי פרלמוטר, סגן נשיא אינטל ומנהל קבוצת הארכיטקטורה
טרנזיסטור תלת-מימדי
מדובר בטכנולוגיית Tri-Gate שנחקרה ופותחה באינטל ב-10 השנים האחרונות, אשר מבוססת על שינוי האופן שבו ממוקם הצומת בתוך הטרנזיסטור. הצומת של רכיבי Tri-Gate הוא תלת-מימדי. ומתפרס לרוחב שלוש פיאות הנמצאות בקצהו של מעין סנפיר זעיר הבנוי מחומר חצי-מוליך. המבנה הזה מגדיל שטח הצומת בשיעור מאוד משמעותי ומאפשר לשפר את מאפייני ההתנהגות של הטרנזיסטור.
עקומת המעבר שלו ממצב הפעלה למצב נתק היא חדה ולינארית יותר, וכתוצאה מכך הוא מגיב מהר יותר, פועל במתח נמוך יותר ומספק זרמי זליגה קטנים יותר. זרמי הזליגה הם אחד מהגורמים המשמעותיים להפסדי אנרגיה בהפעלת שבבים, והיכולת לספק טרנזיסטורים מהירים, הפועלים במתח נמוך וחסכוניים מאוד באנרגיה, מפצה על העובדה שהם מיוצרים בגיאומטריה קיימת.
לאחר שחברת אינטל הציגה את הטרנזיסטור החדש, היא הודיעה שמפת הדרכים שלה כוללת מספר נתיבים שיאפשרו לה לשפר את המעגלים העתידיים. השלב הראשון, והצפוי, הוא הכנת הטכנולוגיה לרמת המיזעור של הדור הבא: 14 ננו-מטר.
אולם הדורות הבאים כוללים גם שיפורים ברמת המבנה, ובלא קשר לרמת המיזעור: אינטל מתכננת לייצר שבבים שבהם שטח הצומת מוגדל באמצעות מבנים דו-סנפיריים ותל-סנפיריים, המספקים שטחי חתך גדולים יותר של הצומת, ועל-ידי כך משפרים את עקומת ההיענות של הטרנזיסטורים גם ללא תהליך מיזעור.
ייצור סדרתי
למעשה הטכנולוגיה נחשפה לראשונה על-ידי אינטל כבר בחודש ספטמבר 2009. אז היא הציגה שבב זיכרון SRAM הכולל כמעט 3 מיליארד טרנזיסטורים ומיועד לאחסן זיכרון בנפח של 364Mbit. אולם רק כעת היא נכנסת לקו הייצור המרכזי של החברה.
כיום אינטל מכינה חמישה מפעלים למעבר לטכנולוגיה החדשה: ארבעה מפעלים בארצות הברית (אורגון ואריזונה) ומפעל הייצור בקרית גת (פאב 28). תהליך השדרוג צפוי להסתיים בסוף 2011 תחילת 2012. אגב, המוצר הראשון שייוצר בטכנולוגיית Tri-Gate הוא המעבד Ivy Bridge ממשפחת סנדי ברידג’ שפותחה בישראל.
להערכת אינטל, טכנולוגיית Tri-Gate החדשה מאפשרת להפחית ב-50% את צריכת ההספק של מעבדי מחשבים, ולהפעיל מערכות מחשב במתח נמוך מאוד של 0.8 וולט בלבד תוך שיפור של 37% בביצועי המעבדים.
תהליך הייצור קיבל באינטל את הקוד P1270. מפת הדרכים העתידית של הטכנולוגיה כוללת מעבר לייצור בתהליך P1272 במהלך 2013, שבמסגרתו ייוצרו שבבים בטכנולוגיית Tri-Gate 14 ננו-מטר. כעבור שנתיים, בשנת 2015, תציג אינטל את תהליך P1274 שבמסגרתו היא תייצר את השבבים בטכנולוגיית Tri-Gate 10 ננו-מטר.
מהלומה ל-ARM
סגן נשיא אינטל ומנהל קבוצת הארכיטקטורה של החברה, הישראלי דדי פרלמוטר, אמר שטכנולוגיית הייצור החדשה מהווה אחת מאבני הבניין החשובות באסטרטגיה של אינטל. לדבריו, היא תאפשר להאיץ את מפת הדרכים של מעבדי Atom המיוצרים היום בטכנולוגיית 32 ננומטר כדי שיתפסו מקום מרכזי בשוק. “מעבד Atom יהיה מתחרה של רכיבים מבוססי ARM בכל פרמטר אפשרי”, אמר.
פרלמוטר לא היה היחיד שהתייחס אל חברת ARM בהקשר של טכנולוגיית הייצור החדשה. אנליסט השבבים של חברת IHS iSuppli, מתיו ווילקינס, הניח את הנושא על השולחן מייד לאחר ההכרזה: “טכנולוגיית Tri-Gate היא התחמושת שלה נזקקת אינטל כדי לתקוף את שוק הסמארטפונים והטאבלטים – ולהדוף את פוטנציאל הכניסה של ARM לשוק המחשבים האישיים”.
“בזכות הטכנולוגיה תוכל אינטל לייצר את מעבדי X86 בגיאומטריה של 22 ננומטר, אשר יהיו בעלי ביצועים זהים למעבדים המיוצרים בתהליך של 32 ננומטר, אולם צריכת ההספק שלהם תרד למחצית (המחיר הוא עלייה מזערית של 2%-3% בעלות הייצור), והתוצאה היא אורך חיים גדול יותר של מערכות מבוססות סוללה.
“הדבר יאפשר לאינטל להשיב מלחמה בשוק מחשבי הטאבלט והטלפונים החכמים, הנישלט כיום על-ידי מעבדים מבוססי ARM. הקטנת גיאומטריית הייצור של מעבדים מבוססי Tri-Gate תמשיך לחזק את מעמדה של אינטל בשוק האביזרים הניידים.
מלבד האפשרות לתקוף את ARM בטריטוריה הביתית שלה, הטכנולוגיה מעניקה לאינטל כלי נוסף להתגונן מפני פלישת ARM לשוק המחשבים עצמו. כזכור, בשנה שעברה דיווחה ARM שהיא מפתחת מעבד עבור שימוש בשרתים, ובתחילת השנה הודיעה חברת מיקרוסופט שהיא תתמוך במעבדי ARM בדרסאות הבאות של מערכת ההפעלה שלה.
כל אלה הם פעמוני אזעקה שאינטל לא יכולה להתעלם מהם, במיוחד מההכרזה של מיקרוסופט אשר לאורך כל השנים מאז צאתו של ה-PC הראשון העניקה תמיכה בלעדית לארכיטקטורת אינטל. חברת iSuppli סבורה שצריכת ההספק הנמוכה של טכנולוגיית Tri-Gate מהווה את התשובה הטובה ביותר ל-ARM, אשר יתרונה המובהק ביותר הוא בתחום החסכון בהספק.
המתחרים לא ממתינים
רעיון הטרנזיסטור התלת-מימדי אינו חדש. גם חברת יבמ וגם חברת TSMC מפתחות טכנולוגיות תלת-מימדיות מזה מספר שנים, אלא שאינטל היתה הראשונה המביאה אותה לשוק, ולהערכת פרלמוטר, היא הצליחה להשיג יתרון של שלוש שנים לפחות בהשוואה לטכנולוגיות המתחרות.
שאלה מעניינת אחרת היא כיצד משפיעה הטכנולוגיה על התחרות מול חברת AMD, המתחרה העיקרית של אינטל בשוק השרתים והמחשבים האישיים. למעשה, גם AMD מבצעת מחקרים אינטנסיביים בשנים האחרונות במטרה להפחית את צריכת ההספק של השבבים.
אומנם AMD לא עוסקת בטכנולוגיות סיליקון לאחר מכירת מתקני הייצור שלה לחברת GlobalFoundries, אולם היא משקיעה מאמצים רבים בהפחתת ההספק ובהגברת היעילות של מעבדיה, ומכוונת אותם לשוק המערכות המשובצות הרגיש לצריכת הספק. כיוון אחד הוא באמצעות טכנולוגיית APU (Accelerated Processing Unit ) שאותה השיקה במעבדים המשובצים מסדרת Embedded G-Series. מעבדים אלה משלבים מעבד כללי (CPU) עם מעבד גרפי (GPU) בשבב יחיד, חסכוני במקום ובאנרגיה בלי להפחית את הביצועים.
כיוון אחר הוא באמצעות שילוב טכנולוגיות אופטימיזציית הספק למטלות, שבאה לידי ביטוי ביוזמת Cool’n’Quiet. מדובר בחבילה של טכנולוגיות לשליטה בהספק, דוגמת טכנולוגיית PowerNow המאפשרת להפעיל את הליבות בתדרי עבודה משתנים ובמתחים משתנים בהתאם לעומס העבודה שעל כל ליבה, טכנולוגיית CoolCore המאפשרת “לכבות” חלקים תת-מעגלים בתוך המעבד שאינם מצויים בפעילות, טכנולוגיית Smart Fetch המאפשרת “לכבות” ליבות לא פעילות ברגע נתון ועוד.
כל אלה ממחישים שאומנם אינטל השיגה קפיצת מדרגה דרמטית ומעוררת התפעלות עם הצגת טכנולוגיית הייצור החדשה Tri-Gate, אולם הדבר אינו אומר שמתחרותיה קופאות על השמרים.
