Intel setzt Meilenstein in der Transistortechnologie

(Auszug aus der Pressemitteilung)

Feldkirchen, 29. Januar 2007 – Intel gab heute den größten Durchbruch im Transistordesign in den letzten 40 Jahren bekannt. So nutzt das Unternehmen vollkommen neue Materialien für den Aufbau der Isolierschichten und der für die Schaltvorgänge zuständigen Gates in ihren 45-Nanometer (nm) Transistoren. Hunderte von Millionen dieser mikroskopisch kleinen Transistoren werden in der nächsten Generation der Intel® Core(tm)2 Duo, Intel Core 2 Quad und Xeon® Multi-Core-Prozessoren arbeiten. Über fünf lauffähige Vorversionen von Produkten verfügt Intel bereits – die ersten von insgesamt fünfzehn geplanten 45-nm-Prozessoren.

Mit diesem Durchbruch in der Transistortechnologie ist Intel in der Lage, bei zukünftigen Prozessoren für PCs, Laptops und Server die Rechenleistung zu steigern und gleichzeitig die elektrischen Leckströme zu reduzieren. Im Chip- und PC-Design sind elektrische Leckströme eine der wesentlichen Herausforderungen wenn es darum geht Größe, Leistungsaufnahme, Geräuschpegel und Kosten zu verringern. Dieser Forschungserfolg sichert die Gültigkeit des Moore´schen Gesetzes bis ins nächste Jahrzehnt hinein. Nach diesem Grundsatz verdoppelt sich die Zahl der Transistoren auf einem Chip in einem Turnus von etwa zwei Jahren.

Intel geht davon aus, dass es mit den ersten funktionsfähigen 45-nm-Prozessoren der 45-nm-Produktfamilie der nächsten Generation (Codename „Penryn“) seine Stellung als Technologieführer der Halbleiterindustrie weiter ausgebaut und den Führungsabstand von mehr als einem Jahr manifestiert hat. Die frühen Versionen zielen auf fünf unterschiedliche Computermarktsegmente und unterstützen die Betriebssysteme Windows* Vista*, Mac OS X*, Windows* XP, Linux sowie verschiedene Software-Anwendungen. Der Beginn der 45-nm-Produktion ist – entsprechend des ursprünglichen Zeitplans – für die zweite Jahreshälfte vorgesehen.

45-nm Transistoren mit neuartigem high-k Dielektrikum und metallischem Gate
Als erster Hersteller implementiert Intel eine innovative Kombination neuer Materialien, die Transistor-Leckströme drastisch reduziert und die Lesitung der 45-nm-Prozesstechnologie verbessert. Das Unternehmen wird für die Isolatorschicht der Transistor-Gates ein neues Material mit hohem k-Wert (high-k) und für die Transistor-Gate-Elektrode eine neuartige Kombination metallischer Materialien verwenden.

„Die Implementierung von metallischen Materialien und solchen mit hohem k-Wert markiert die größte Veränderung in der Transistortechnologie seit Einführung von MOS Transistoren mit Polysilizium-Gate in den späten 1960-er Jahren“, so Intel Mitgründer Gordon Moore.

Transistoren sind winzige Schalter zur Verarbeitung der Nullen und Einsen in der digitalen Welt. Das Gate schaltet den Transistor ein und aus, während das darunter liegende Gate-Dielektrikum ihn als Isolationsschicht von dem Strom führenden Kanal trennt. Die Kombination aus metallischen Gates und high-k Gate-Dielektrikum führt zu Transistoren mit sehr geringem Leckstrom und hoher Rechenleistung.

Da immer mehr Transistoren auf ein einziges Stück Silizium gepackt werden, suchen die Hersteller nach Möglichkeiten zur Verringerung des Leckstroms. Mit der Implementierung von neuartigen high-k und Metall-Gate Transistoren für die 45-nm-Prozesstechnologie werden noch schnellere und zugleich energieeffizientere Multi-Core-Produkte möglich, die auf den erfolgreichen Intel Core 2 und Xeon Prozessorfamilien aufbauen.

Die Zahl der. Um das Innovationstempo des Moore´schen Gesetz zu halten – Verdopplung der Transistoren auf einem Chip etwa alle zwei Jahre – müssen die Transistoren immer kleiner werden. Zum Vergleich: Auf der Oberfläche einer einzigen menschlichen roten Blutzelle finden etwa 400 von Intels 45-nm-Transistoren Platz. Vor gerade einmal zehn Jahren galt der 250-nm-Prozess als modernste Technologie. Die Transistoren waren damals etwa fünfeinhalb Mal so groß und beanspruchten die 30-fache Fläche der heute von Intel vorgestellten Technologie.

Mit den bisher verwendeten Materialen stößt die Miniaturisierung von Transistoren jedoch an fundamentale Grenzen. Wenn Strukturen die Größe weniger Atome erreichen, werden Leistungsaufnahme und Wärmeentwicklung zu einem ernsthaften Problem. Um die Zukunft des Moore´schen Gesetzes und der Ökonomie des Informationszeitalters zu sichern, ist die Implementierung neuer Materialien unumgänglich.

Intels Rezept für die 45-nm-Prozesstechnologie: high-k + Metall-Gate
Seit über 40 Jahren wurde bei der Fertigung des Gate-Dielektrikums von Transistoren Siliziumdioxid verwendet. Um bei der ständigen Leistungssteigerung bei Transistoren mitzuhalten, verringerte man seine Schichtstärke immer weiter. Bei der bisherigen 65-nm-Prozesstechnik ist das Gate-Dielektrikum aus Siliziumdioxid nur 1,2 nm stark, was etwa fünf Atomlagen entspricht. Allerdings nehmen bei dieser geringen Stärke die elektrischen Leckströme durch das Gate-Dielektrikum zu, was zu unnötigem Stromverbrauch und unerwünschter Wärmeentwicklung führt. Bei Intel kommt deshalb bei der 45-nm-Prozesstechnologie ein dickeres, auf Hafnium basierendes high-k Material im Gate-Dielektrikum zum Einsatz. Dies reduziert die Leckströme im Vergleich zu Siliziumdioxid auf weniger als ein Zehntel.

Weil das high-k Gate-Dielektrikum nicht mit der derzeitigen Gate-Elektrode aus Silizium kompatibel ist, besteht die zweite Zutat in Intels Materialrezept für 45-nm-Tansistoren aus einer neuen Kombination unterschiedlicher metallischer Materialen.

Die Kombination aus high-k Gate-Dielektrikum und Metall-Gate für Intels 45-nm-Fertigungsprozess erlaubt bis zu 20% höhere Ströme zu schalten beziehungsweise erhöht die Geschwindigkeit des Transistors. Im Umkehrschluss bedeutet es eine Reduzierung der Source-Drain-Leckströme um den Faktor Fünf, das führt zu einer verbesserten Energieeffizienz des Transistors.

Intels 45-nm-Fertigungsprozess erhöht gegenüber der vorangehenden Generation auch die Transistordichte um etwa das Doppelte, so dass sich die Gesamtzahl der Transistoren pro Chip erhöhen oder die Größe der Prozessoren verringern lässt. Die 45-nm-Transistoren sind kleiner als die der vorangehenden Generation, weshalb sie zum Ein- und Ausschalten weniger Energie benötigen und den aktiven Schaltstrom um rund 30% senken. Des Weiteren wird Intel Kupferleitungen mit einem low-k Dielektrikum für seine 45-nm-Interconnects verwenden, um eine höhere Performance und geringeren Stromverbrauch zu erzielen.

Die Penryn Familie – neue Dimension in Leistung und Energieeffizienz
Die Penryn Prozessorfamilie markiert den nächsten Schritt in der rasanten Abfolge von Prozesstechnologien und Mikroarchitekturen, die Intel in jedem Jahr hervorbringt. Die ersten funktionsfähigen 45-nm Penryn Prozessoren sind bereits entwickelt.
Intel hat insgesamt mehr als 15 Produkte auf Grundlage der 45-nm-Technik in Entwicklung, die für Desktop, Mobile, Workstation und Enterprise-Lösungen bestimmt sind. Mit über 400 Millionen Transistoren in Dual-Core Prozessoren und über 800 Millionen in Prozessoren mit vier Kernen verfügt die Penryn Familie über neue Architekturmerkmale, die eine höhere Performance, eine optimierte Energieverwaltung, schnellere Taktraten im Prozessorkern und bis zu 12 Megabytes Cache-Speicher ermöglichen. Mit den Designs der Penryn Familie halten auch rund 50 neue Intel SSE4 Instruktionen Einzug. Sie erweitern die Funktionalität und Performance für Applikationen im Media- und Hochleistungsrechnerbereich.