Pentium 4 potřetí - 90nm Prescott
1.2.2004, Eagle , článek
Dnes je uveden první procesor vyráběný 90nm technologií. Kódové označení následníka současného Pentia 4 zní Prescott a do vínku si přinesl vyšší frekvence, větší cache a různé úpravy v pipeline. Jde o největší úpravu architektury NetBurst od jejího uvedení.
Kapitoly článku:
- Pentium 4 potřetí - 90nm Prescott
- Prescott - třetí jádro pro Pentium 4
- Prescott - změny v architektuře
- Spotřeba elektrické energie
- Kompatibilita, shrnutí
Technologie a výkon
Výkon procesorů se každé dva roky zdvojnásobí - Moorův zákon. Ať už jste tento zákon slyšeli v kterékoliv podobě (rok a půl až dva a půl roku; počet transistorů se zdvojnásobí), v minulosti zatím platil. Nutno však podotknout, že tento zákon není možné brát jinak než jak je definován.
Vývoj v oblasti polovodičů ovlivňují nejvíce technologické skoky. Tyto skoky spočívají v masovém nasazení nových výrobních technologií, které umožňují výrobu menších transistorů. Menší transistory jsou schopné přepínat se rychleji, tato vyšší rychlost přepínání znamená možnost dosahování vyšších frekvencí. Protože výkon se řídí následujícím vztahem...
... znamená vyšší frekvence vyšší výkon.
Mimo této důležité vlastnosti mají menší transistory i jiné výhody - pro přepnutí stavu si vystačí s menším napětím. Menší napětí znamená ve svém důsledku menší proud, což dohromady znamená menší spotřebu. Menší spotřeba zbavuje vývojáře problémů s generovaným teplem, které polovodiče nemají rádi.
No a konečně poslední výhodou, ne však nezanedbatelnou, je, že menší transistory jsou opravdu výrazně menší. Natolik menší, že umožňují při každém technologickém skoku na stejnou plochu umístit zhruba 150% původního množství transistorů. Jinými slovy starší čipy jsou nyní menší (a výrobně levnější), nové čipy mohou mít při stejné velikosti jako čipy původní mnohem více transistorů, tj. také mnohem větší výkon.
Pokroky ve výrobě jsou dostupné zhruba každé dva roky. Každý takový skok s sebou přináší vyšší frekvence. Například architektura Pentia II a III:
0.35um - 333 MHz
0.25um - 600 MHz
0.18um - 1133 MHz
0.13um - 1400 MHz
Možnost dosažení vyšší frekvence znamená, že výrobce v blízké době po skoku urychlí procesory. Technologie výroby působí jako omezení, jakmile je toto překonáno, výrobce může zvýšit frekvenci, přidat transistory, snížit spotřebu. Z pohledu koncového zákazníka je nerozumné pořizovat procesor v době těsně před technologickým skokem, obzvlášť pokud se jedná o jeden z nejrychlejších čipů. Jednak nové verze procesorů jdou obvykle velmi dobře přetaktovat a za druhé - co je před skokem špička (a drahé), je po něm v propadlišti dějin.
Tak například polovině roku 2001 bylo uvedeno Pentium 4 na 2 GHz, vyráběné technologií 0.18um. Za rok a čtvrt bylo k dispozici Pentium 4 na 3.06 GHz s technologií HyperThreading a novějším výkonnějším jádrem. Původní 2 GHz čip už se v té době půl roku nevyráběl a jeho modernější alternativa pomalu, ale jistě opouštěla trh také. Naopak kdo si koupil hned po uvedení 3.06 GHz čip, má i dnes jeden z nejrychlejších procesorů na trhu. Je to, protože výrobní technologie (ne)umožnila Intelu v minulém roce zvýšit frekvenci Pentia 4 jen o ubohých 133 MHz.
Intel a jeho 90 nanometrů
Dnes je ten den z čekání dlouhého roky - je uvedena další generace procesorů, tentokrát 90nm. Již nebudeme počítat v mikrometrech, ale rovnou v nanometrech! Mikrometry jsou prý příliš velké.
Co všechno tato změna znamená?
50 nanometrů délky transistorového přechodu - Menší hodnota znamená, že pro přepnutí transistoru stačí menší napětí a že se transistor přepíná rychleji. Tato velikost napoví nejvíce o tom, co lze očekávat. Jen pro srovnání: při 0.18um technologii měří transistor na délku 130nm, při 0.13um pak 70nm (první generace) nebo 60nm (druhá generace).
Napětí čipů pro stolní počítače kolem 1.3V - Procesory Prescott určené pro stolní počítače pracují s napětím v klidu 1.25V až 1.4V. Starší generace procesorů pracovala s napětími 1.475V až 1.6V. Nižší napětí umožňuje snížit spotřebu na jeden transistor.
SRAM buňka o velikosti jednoho mikrometru čtverečního - Šest transistorů tvořících jednu paměťovou cache buňku bylo opět zmenšeno. Pro srovnání: U první generace 0.13um technologie měřila tato buňka 2.09 um2 a u druhé generace (použité u čipů Tualatin B1 a Northwood B0-Shrink) již "jen" 2.00 um2. Nová buňka umožní integrovat na stejnou fyzickou plochu téměř dvojnásobné množství transistorů, tj. zvětšit velikost cache paměti (a zvýšit výkon).
Využití technologie Strained Silicon - Atomy křemíku, základního prvku pro tvorbu polovodičů, jsou napnuty za použití prvku germania. Takto napnuté atomy umožňují o 10 až 20 procent rychlejší proudění elektronů.
Sedm vrstev měděných transistorových spojů - Více vrstev znamená větší flexibilitu v designu transistorových mezispojů. Spoje jsou kratší a umožňují tak dosažení vyšších frekvencí. 0.13um proces Intelu používal vrstev šest.
Výroba
Procesory vyráběné 90nm technologií používají ze 75 procent stejné nástroje, jako byly použity pro výrobu 0.13um procesorů. To by mělo zaručit rychlý a levný přechod ze starší generace procesorů na novou - do dnešního dne má Intel připraveny tři továrny schopné výroby na 90nm. Nově je pro kritické části použita 193nm litografie. Méně náročné části čipů jsou nadále vyráběny 248nm vlnovou délkou.
Úpravy masky umožnily překonat stále se zvětšující rozdíl velikosti transistoru a vlnové délky.
Podle tohoto obrázku se dá očekávat, že současná litografie bude stále více a více nedostačující. Nicméně masové nasazení v současnosti vyvíjené EUV 13nm vlnové délky se očekává až ke konci dekády.
Na následujícím grafu výtěžnosti je vidět, že 90nm technologie znamená značné výrobní potíže:
Zatímco přechod na 0.13um byl ještě relativně bezproblémový, 90nm vykazovalo již ze začátku výrazně horší výsledky (velikosti na Y-ose jsou logaritmické!). A i postupné vylepšování bylo problémovější než u starších technologií. V současnosti je již technologie na vysoké úrovni srovnatelné s předchozími 0.18um a 0.13um.
Výkon procesorů se každé dva roky zdvojnásobí - Moorův zákon. Ať už jste tento zákon slyšeli v kterékoliv podobě (rok a půl až dva a půl roku; počet transistorů se zdvojnásobí), v minulosti zatím platil. Nutno však podotknout, že tento zákon není možné brát jinak než jak je definován.
Vývoj v oblasti polovodičů ovlivňují nejvíce technologické skoky. Tyto skoky spočívají v masovém nasazení nových výrobních technologií, které umožňují výrobu menších transistorů. Menší transistory jsou schopné přepínat se rychleji, tato vyšší rychlost přepínání znamená možnost dosahování vyšších frekvencí. Protože výkon se řídí následujícím vztahem...
výkon = počet vykonaných instrukcí za takt * frekvence
... znamená vyšší frekvence vyšší výkon.
Mimo této důležité vlastnosti mají menší transistory i jiné výhody - pro přepnutí stavu si vystačí s menším napětím. Menší napětí znamená ve svém důsledku menší proud, což dohromady znamená menší spotřebu. Menší spotřeba zbavuje vývojáře problémů s generovaným teplem, které polovodiče nemají rádi.
No a konečně poslední výhodou, ne však nezanedbatelnou, je, že menší transistory jsou opravdu výrazně menší. Natolik menší, že umožňují při každém technologickém skoku na stejnou plochu umístit zhruba 150% původního množství transistorů. Jinými slovy starší čipy jsou nyní menší (a výrobně levnější), nové čipy mohou mít při stejné velikosti jako čipy původní mnohem více transistorů, tj. také mnohem větší výkon.
Pokroky ve výrobě jsou dostupné zhruba každé dva roky. Každý takový skok s sebou přináší vyšší frekvence. Například architektura Pentia II a III:
0.35um - 333 MHz
0.25um - 600 MHz
0.18um - 1133 MHz
0.13um - 1400 MHz
Možnost dosažení vyšší frekvence znamená, že výrobce v blízké době po skoku urychlí procesory. Technologie výroby působí jako omezení, jakmile je toto překonáno, výrobce může zvýšit frekvenci, přidat transistory, snížit spotřebu. Z pohledu koncového zákazníka je nerozumné pořizovat procesor v době těsně před technologickým skokem, obzvlášť pokud se jedná o jeden z nejrychlejších čipů. Jednak nové verze procesorů jdou obvykle velmi dobře přetaktovat a za druhé - co je před skokem špička (a drahé), je po něm v propadlišti dějin.
Tak například polovině roku 2001 bylo uvedeno Pentium 4 na 2 GHz, vyráběné technologií 0.18um. Za rok a čtvrt bylo k dispozici Pentium 4 na 3.06 GHz s technologií HyperThreading a novějším výkonnějším jádrem. Původní 2 GHz čip už se v té době půl roku nevyráběl a jeho modernější alternativa pomalu, ale jistě opouštěla trh také. Naopak kdo si koupil hned po uvedení 3.06 GHz čip, má i dnes jeden z nejrychlejších procesorů na trhu. Je to, protože výrobní technologie (ne)umožnila Intelu v minulém roce zvýšit frekvenci Pentia 4 jen o ubohých 133 MHz.
Intel a jeho 90 nanometrů
Dnes je ten den z čekání dlouhého roky - je uvedena další generace procesorů, tentokrát 90nm. Již nebudeme počítat v mikrometrech, ale rovnou v nanometrech! Mikrometry jsou prý příliš velké.
Co všechno tato změna znamená?
50 nanometrů délky transistorového přechodu - Menší hodnota znamená, že pro přepnutí transistoru stačí menší napětí a že se transistor přepíná rychleji. Tato velikost napoví nejvíce o tom, co lze očekávat. Jen pro srovnání: při 0.18um technologii měří transistor na délku 130nm, při 0.13um pak 70nm (první generace) nebo 60nm (druhá generace).
Napětí čipů pro stolní počítače kolem 1.3V - Procesory Prescott určené pro stolní počítače pracují s napětím v klidu 1.25V až 1.4V. Starší generace procesorů pracovala s napětími 1.475V až 1.6V. Nižší napětí umožňuje snížit spotřebu na jeden transistor.
SRAM buňka o velikosti jednoho mikrometru čtverečního - Šest transistorů tvořících jednu paměťovou cache buňku bylo opět zmenšeno. Pro srovnání: U první generace 0.13um technologie měřila tato buňka 2.09 um2 a u druhé generace (použité u čipů Tualatin B1 a Northwood B0-Shrink) již "jen" 2.00 um2. Nová buňka umožní integrovat na stejnou fyzickou plochu téměř dvojnásobné množství transistorů, tj. zvětšit velikost cache paměti (a zvýšit výkon).
Využití technologie Strained Silicon - Atomy křemíku, základního prvku pro tvorbu polovodičů, jsou napnuty za použití prvku germania. Takto napnuté atomy umožňují o 10 až 20 procent rychlejší proudění elektronů.
Sedm vrstev měděných transistorových spojů - Více vrstev znamená větší flexibilitu v designu transistorových mezispojů. Spoje jsou kratší a umožňují tak dosažení vyšších frekvencí. 0.13um proces Intelu používal vrstev šest.
Výroba
Procesory vyráběné 90nm technologií používají ze 75 procent stejné nástroje, jako byly použity pro výrobu 0.13um procesorů. To by mělo zaručit rychlý a levný přechod ze starší generace procesorů na novou - do dnešního dne má Intel připraveny tři továrny schopné výroby na 90nm. Nově je pro kritické části použita 193nm litografie. Méně náročné části čipů jsou nadále vyráběny 248nm vlnovou délkou.
Úpravy masky umožnily překonat stále se zvětšující rozdíl velikosti transistoru a vlnové délky.
Podle tohoto obrázku se dá očekávat, že současná litografie bude stále více a více nedostačující. Nicméně masové nasazení v současnosti vyvíjené EUV 13nm vlnové délky se očekává až ke konci dekády.
Na následujícím grafu výtěžnosti je vidět, že 90nm technologie znamená značné výrobní potíže:
Zatímco přechod na 0.13um byl ještě relativně bezproblémový, 90nm vykazovalo již ze začátku výrazně horší výsledky (velikosti na Y-ose jsou logaritmické!). A i postupné vylepšování bylo problémovější než u starších technologií. V současnosti je již technologie na vysoké úrovni srovnatelné s předchozími 0.18um a 0.13um.
