3D tranzistoriai


3D Tranzistoriai*

Darbą paruošė: Donatas Stankevičius, 2013, VDU.

Trimačiai tranzistoriai, taip pat vadinami „Tri-Gate“ tranzistoriais – naujausias „Intel“ korporacijos pasiekimas procesorių architektūros srityje. Tai pirmą kartą po silicio tranzistorių išradimo prieš 50 metų, kurių gamybai buvo naudojama vadinama planarinė, arba dvimatė technologija, kai puslaidininkinių komponentų sluoksnis buvo formuojamas plokštumoje, masiškai pradėti gaminti tranzistoriai, turintys trimatę struktūrą.
Mokslininkai jau seniai pripažino, kad trimačiai puslaidininkiniai komponentai leistų toliau didinti komponentų tankį ir neatsilikti nuo Mūro dėsnio, nes dvimačiai puslaidininkiniai komponentai jau tapo tokie maži, kad sunku juos dar labiau sumažinti, kadangi vis labiau pasireiškia kvantiniai efektai. „Intel“ prezidentas Paul Otellini teigė neabejojantis, kad šis pasiekimas atvers duris kurti įvairiausiems naujos kartos elektronikos prietaisams.
Paul Otellini teigimu, Tri-Gate tranzistoriai – tai tarsi iš naujo išrasti tranzistoriai. Jie gaminami ant silicio pagrindo sukuriant mikroskopinius vertikalius išsikišimus, kuriuose elektros srovė yra valdoma iš trijų pusių – dviejų šonų ir viršaus. Įprastiniuose tranzistoriuose srovė valdoma tik vienu elektrodu, esančiu ant plokščio tranzistoriaus viršaus. Naujasis būdas leidžia ypač efektyviai uždaryti tranzistorių, kad juo visiškai netekėtų srovė ir nebūtų energijos nuostolių, ir jį vėl labai greitai atverti. Kaip dangoraižiai leido miestų planuotojams efektyviau išnaudoti turimą erdvę, taip ir trimatė tranzistorių struktūra leis, juos dėstant vertikaliai, sutalpinti didesnį skaičių į tūrio vienetą.

3D Tranzistoriai 1
perėjimas nuo 2D iki 3D tranzistorių

1971 m. „Intel“ pagamino savo pirmą procesorių – modelį 4004. 22 nm procesoriai savo sparta prieš daugiau nei 40 metų pagamintą pirmtaką lenkia 4000 kartų, o tranzistoriaus energijos apetitas sumažėjo 5000 kartų. Dabartinių tranzistorių kaina savo ruožtu sumažėjo 50 000 kartų.

3D Tranzistoriai 2
2D ir 3D tranzistorių palyginimas

Geresniam įsivaizdavimui, kaip per 60 metų pakito šiandien moderniausiuose įrenginiuose naudojamas tranzistorius, įdomu palyginti dydžius: pavyzdžiui, nago dydis siekia net 20 milijonų nanometrų, žmogaus plaukas – 90 tūkst. nanometrų, ambrozijos žiedadulkė – 200 tūkst. nanometrų, bakterijai išmatuoti prireiks 2 tūkst. nanometrų. Lyginant su naujausiu „Intel“ procesoriumi, už pastarojo 22 nanometrus mažesnis yra 0,24 nanometro tesiekiantis silicio atomas ir virusas, te užimantis 20 nanometrų.

Tranzistorių evoliucija
Tranzistorių evoliucija
3D ir 2D tranzistorių palyginimas
3D ir 2D tranzistorių palyginimas

Taigi kuo daugiau tranzistorių turime, tuo didesnę teorinę spartą gauname, bet priėjus kelių dešimčių nanometrų gamybos proceso ribą, naudojant senąją 2D struktūrą, tampa labai sunku tranzistorius dar labiau sumažinti ir išlaikyti spartos augimą drastiškai nedidinant pačio procesoriaus ir išskiriamos šilumos.
Norint suprasti kokią naudą gaus eilinis vartotojas, pirmiausia reikia prisiminti kas yra tranzistorius.

„Tranzistoriumi elektronikoje vadinamas puslaidininkinis įtaisas, paprastai naudojamas elektroniniams signalams sustiprinti ar nukreipti. Tranzistorius yra fundamentali kompiuterių ir kitų modernių elektroninių prietaisų detalė.“

Prieš 60 metų sukurtą tranzistorių šiandien daugelis mokslininkų vadina didžiausiu XX-ojo amžiaus išradimu. Jį galima rasti kone visuose elektroniniuose prietaisuose. Tačiau žiūrint į pirmąjį kelių centimetrų dydžio tranzistorių, šiandienos galimybes buvo galima priskirti nebent mokslinės fantastikos sričiai. Visgi per kelis dešimtmečius tranzistorius „susitraukė“ tiek, kad jam įžiūrėti prireiktų itin galingo mikroskopo.
Pirmą kartą „Intel“ apie trimačių tranzistorių kūrimą paskelbė dar 2002 metais, tačiau po to iki pat šio pranešimo žinių apie pasiekimus beveik nebuvo. Kitos inovatyvios kompanijos, pavyzdžiui, IBM, tai pat skelbėsi kuriančios trimates puslaidininkių struktūras, tačiau dabar panašu, kad „Intel“ jas gerokai aplenkė.
Naujieji 3-D tranzistoriai pradėti naudoti su 22nm procesu pagamintais procesoriais pradedant Ivy Bridge serija. Apie pirmuosius procesorius naudosiančius 3-D Tri-Gate technologiją „Intel“ paskelbė 2011 m. gegužės 2 d. ir jau tais pačiais metais spalio 19 d. „Intel“ generalinis direktorius Paul Otellini patvirtino, kad naujųjų Ivy Bridge procesorių gamyba pradėta.
„Intel“ teigimu, šis pasiekimas užtikrins, kad Mūro dėsnis, teigiantis, kad komponentų tankis mikroschemose dvigubėja maždaug kas dvejus metus, galios ir toliau.
3-D tranzistoriai naudoja žemesnę įtampą ir yra iki keliasdiešimt procentų efektyvesni lyginant su 32 nm technologija pagamintais įprastiniais, dvimačiais tranzistoriais, taip pat jie naudoja net mažiau energijos. 22 nanometrų technologija gaminami naujieji procesoriai su šiais tranzistoriais užtikrins mažesnes energijos sąnaudas ir išaugusią spartą.
Kelių senesnės Sandy Bridge serijos ir naujos Ivy Bridge (su 3-D tranzistoriais) procesorių palyginimas tarp stacionariems kompiuteriams skirtų procesorių:

Palyginimas
Palyginimas

Kelių senesnės Sandy Bridge serijos ir naujos Ivy Bridge (su 3D tranzistoriais) procesorių palyginimas tarp mobiliems kompiuteriams skirtų procesorių:

Palyginimas 2
Palyginimas 2
Procesorių palyginimas testuose
Procesorių palyginimas testuose

Didžiausias skirtumas, lyginant su praėjusia serija, yra padidintas efektyvumas, kas ypač svarbu mobiliems: nešiojamiems ir planšetiniams kompiuteriams. Net ir padidinus bendrą spartą, panaudojus galingesnį integruotą vaizdo posistemį (ne visi modeliai), ir kitas energijai ėdrias technologijas, galutinis produktas gali pasigirti bent keliasdešimt procentų sumažintomis energijos sąnaudomis, o busimųjų serijų procesoriai (jau anonsuota Haswell serija) su naujaisiais tranzistoriais ir vėl kilstelės energetinio naudingumo kartelę.

Procesorių palyginimas testuose 2
Procesorių palyginimas testuose 2

Naudotos medžiagos sąrašas:
http://www.hardwaresecrets.com/news/Intel-Announces-3D-Transistors/5608
http://newsroom.intel.com/docs/DOC-2032
http://www.technologijos.lt/n/technologijos/it/S-21637/
http://www.nature.com/news/2011/110506/full/news.2011.274.html
http://ark.intel.com/compare/65523,61275
http://ark.intel.com/compare/52227,64889
http://cpuboss.com/cpus/Intel-Core-i7-3770K-vs-Intel-Core-i7-2700K
http://cpuboss.com/cpus/Intel-Core-i7-3820QM-vs-Intel-Core-i7-2820QM

* Šis darbas buvo atliktas kaip VDU „Kompiuterių architektūra“ dalyko namų darbo referatas.
Bet kokie laikmečio ir/arba mokslinių ir/arba technologinių faktų nesutapimai yra toleruotini.
Šis darbas netraktuotinas kaip neginčijami faktai.
Teksto autorinės teisės priklauso VDU ir darbo autoriui, Donatui Stankevičiui,
Darbas atliktas 2013.05.20.

Parašykite komentarą