Alaposan feladta a leckét Gordon Moore a félvezetőket fejlesztő mérnököknek, amikor 1965-ben megfogalmazta a később
róla elnevezett törvényt, mely szerint az egy lapkára épített tranzisztorok száma
minden évben megduplázódik, ami többé-kevésbé a teljesítmény megkétszereződését
is maga után vonja. (Egy évtizeddel később úgy módosított, hogy a duplázásra két
évet kell várni.)
A Moore-törvényt évtizedeken keresztül sikerült betartania a Gordon Moore és
a mai értelemben vett első tranzisztort 1950-ben kifejlesztő William Shockley
által alapított Intel mérnökeinek. Ezt új anyagok felhasználásával, folyamatos
miniatürizálással és az egy lapkára építhető tranzisztorok számának növelésével
oldották meg. A fejlődés ezen a téren egészen szédületes: az 1971-ben piacra dobott
első mikroprocesszor, az Intel 4004 „csak” 2250 darab, 10 mikronos technológiával
készült tranzisztort tartalmazott. A most forgalomban lévő generáció 32 nanométeres
technológiával (a nanométer a mikron ezredrésze), és több száz millió tranzisztorból
épül fel, miközben egységnyi teljesítményhez jóval kevesebb energiát használ fel.
Problémák két dimenzióban
Eközben lassan elérték a fizika korlátait. Ahhoz, hogy a Moore-törvény érvényessége
ne szakadjon meg, valami új ötlettel kellett előállni. Ez lett a háromdimenziós
struktúrájú, az Intel májusi bejelentése szerint immár tömeggyártásra érett Tri-Gate
tranzisztor. Az ezzel kapcsolatos kutatások közel tíz éve folynak a cégnél, jól
mutatva, hogy mennyi munka van egy-egy technológiai áttörésben.
Ahhoz, hogy megértsük a Tri-Gate tranzisztorok újszerűségét, nagy vonalakban
vázolni kell a mostani tranzisztorok működését és felépítését is, ami az alapokat
tekintve nem sokat változott az elmúlt ötven év során. A tranzisztor minden processzor
és egyéb felhasználású chip alapvető építőköve. Működését tekintve (és nagyon
leegyszerűsítve) igazából nem más, mint egy kétállású billenőkapcsoló: zárja vagy
nyitja a rajta átfolyó áram útját. Az áram a tranzisztor forrásoldala (source)
felől folyik a nyelőoldal (drain) irányába egy vékony vezetőrétegen keresztül,
amit az úgynevezett kapu (gate) nyit vagy zár a két oldal között. Ebből az áramból
lesznek azok a 0-k és 1-ek, amelyek minden információfeldolgozás alapját alkotják.
A hagyományos síkbeli (kétdimenziós) tranzisztorban a vezetőréteg egy lapos csík
a szilíciumalap és a fölötte található kapu között. Az elemek miniatürizálása
miatt ennek a vezetőrétegnek a felülete is folyamatosan csökkent. A tranzisztor
egyes elemeinek dimenzióit szinte már atomokban lehet mérni, a kis méret egyrészt
akadályozza az áram szabad folyását, amikor arra szükség lenne, illetve nem zárja
el teljesen az áram útját, amikor pedig arra lenne szükség.
A harmadik dimenzió
Lényegesen javít a fenti tulajdonságokon a Tri-Gate tranzisztor, amit egyébként
az Intel fejlesztői szerényen csak „a tranzisztor újrafeltalálásaként” emlegetnek.
A Tri-Gate attól lesz háromdimenziós, hogy a vezetőréteg nem egy lapos csík, hanem
jelentősen kiemelkedik az alatta található szilíciumágyból, és amolyan vékony
„függőleges vezérsíkként” ágyazódik be a kapuba (lásd a fenti illusztrációt).
A kapustruktúra így három oldalról fogja körül a vezetőréteget, miáltal a korábbinak
sokszorosára nő a vezetőréteg felülete. Ennek köszönhetően az elektronok is három
dimenzióban, nagyobb felületen áramlanak a forrás és a nyelő között.
Az új elrendezés több előnnyel is jár. A sík tranzisztorban eddig úgy lehetett
növelni a kapcsolási sebességet, hogy növelték a kapura juttatott működési feszültséget:
minél nagyobb volt a feszültség, annál hamarabb nyílt a kapu. A nagyobb kapu viszont
értelemszerűen nagyobb fogyasztással és a processzor egészét tekintve nagyobb
hőleadással járt. Mindez fordítva is igaz volt: ha csökkentették a feszültséget,
csökkent a tranzisztor kapcsolási sebessége is.
Tartalékok a struktúrában
A jelenlegi, 22 nanométeres Tri-Gate tranzisztor minden feszültségszinten jobban
teljesít. Magasabb feszültségen kisebb, 18 százalékos a javulás a 32 nanométeres
sík tranzisztorhoz képest, de alacsonyabb feszültségszinteken közel 40 százalékkal
jobb a sebessége. Ezzel pedig jól lehet játszani a chipek és a rendszerek tervezésénél,
attól függően, hogy mi a fő szempont: azonos teljesítmény mellett mintegy a felére
csökken a fogyasztás, azonos feszültség mellett pedig több mint harmadával nő
a teljesítmény.
A térbeli elrendezésben további lehetőségek is vannak. A rendkívül vékony „függőleges
vezérsíkok” nagyon szorosan építhetők egymás mellé, szorosabban, mint az eddigi
lapos vezetőrétegek. Ezzel sikerül feloldani a méretcsökkentés eddigi legégetőbb
problémáját, vagyis a lapos struktúrák folyamatos zsugorításának fizikai korlátait.
Mindezeken túl a sík függőleges nyújtásával (magasabb „vezérsík” kialakításával)
úgy növelhető a teljesítmény, hogy az nem csökkenti a tranzisztorok elhelyezésének
sűrűségét.
Az Intel maximálisan igyekszik kihasználni a mostani technikai áttörésben rejlő
lehetőségeket. A háromdimenziós technológia elsőként a mostani, 32 nanométeres
gyártástechnológiával készülő processzorgenerációt leváltó, 22 nanométeres Ivy
Bridge kódnevű processzorokban mutatkozik be. Ezek első példányai már elkészültek,
a tömegtermelés a második félévben indul meg. Az Ivy Bridge különféle változatai
megtalálhatók lesznek a hordozható számítógépekben, az asztali pc-kben és a szerverekben,
de a későbbiekben az alacsony fogyasztású eszközökbe szánt Atom processzorokat
is átállítják 22 nanométeres technológiára.
Már a következő két generáció tervei is készen állnak. Az eddigi fejlesztési
ütemet tartva két év múlva, 2013-ban mutatkoznak be a 14 nanométeres processzorok,
rá két évre a 10 nanométer a cél, 2017-re pedig szeretnék elérni a 7 nanométert
(a DNS-molekula átmérője körülbelül két nanométer).
