A técnica de fabricação de 45 nm

Ao ler sobre os novos modelos de processadores, parece que a introdução de novas técnicas de fabricação é um processo rápido, que é feito sempre que o fabricante precisa lançar uma nova família de processadores ou reduzir os custos de fabricação.

Na realidade, a construção de novas fábricas é um processo demorado, que toma muitos anos e demanda a substituição ou adaptação de todo o maquinário usado. Mesmo depois que uma nova fábrica entra em produção, são necessários mais vários meses até que sejam produzidos os primeiros processadores utilizáveis. Este slide da Intel mostra essa questão da produção usando novos processos de fabricação:

Índice de defeitos nas diferentes técnicas de produção (Intel)

As primeiras levas de wafers produzidas em cada nova técnica de produção são basicamente imprestáveis. O índice de defeitos é tão alto que praticamente nenhum processador é utilizável. No caso da Intel, os primeiros waffers são usados para produzir células de memória SRAM, que por serem cópias da mesma estrutura básica, são mais fáceis de produzir.

Ao longo dos primeiros meses, o maquinário vai sendo calibrado, impurezas são removidas do ambiente e problemas de produção são resolvidos, fazendo com que o índice de defeitos caia rapidamente, embora ainda permaneça em níveis muito altos.

A partir de um certo ponto, é possível produzir alguns processadores utilizáveis, que são usados em sistemas de demonstração, fornecidos para parceiros e para testes. Entretanto, é geralmente só depois de um ano e meio que torna-se viável iniciar a produção em larga escala. O volume de produção vai então crescendo gradualmente, conforme os últimos problemas são resolvidos, fazendo com que os processadores produzidos na nova técnica de fabricação convivam com os da antiga por um período relativamente longo.

Dois recursos bastante enfatizados pela Intel na transição para o processo de 45 nanômetros foram o “high-k dielectric” e o “metal gate electrode”, abreviados como HK e MG. O high-k dielectric consiste no uso de uma fina camada de um material baseado no elemento Háfnio (número 72 da tabela periódica) que possui uma constante dielétrica superior (high-k) à do dióxido de silício, tradicionalmente utilizado na camada inferior do polo central (gate) de cada transístor.

Esta camada é chamada de gate dieletric e tem a função de separar o emissor e o coletor, os dois polos do transístor, evitando que a corrente flua enquanto o transístor está desligado. Conforme o transístor fica menor, a camada fica mais fina e torna-se menos eficiente, fazendo com que cada vez mais energia seja desperdiçada. O uso do high-k dielectric reduz o problema, permitindo que o processador opere a frequências mais altas, consumindo menos energia.

O metal gate electrode consiste em substituir o gate electrode, a camada superior do polo central do transístor (que vai logo acima do gate dieletric) por uma fina camada metálica, que melhora a condutividade do gate quando o transístor está aberto. Isto reduz o volume de energia necessária para mudar o estado do transístor, permite que ele chaveie de forma mais rápida e trabalhe utilizando uma tensão mais baixa, o que também ajuda a reduzir o consumo elétrico.

Temos aqui um diagrama ao lado de uma foto e divulgação da Intel que mostra a estrutura de um transistor produzido usando a nova técnica. Noque que o emissor (positivo) e o coletor (negativo) do transístor são separados pelo gate, onde temos as duas camadas.

Diagrama mostrando o uso do high-k e metal gate e slice de um transístor real

A combinação dos dois recursos é chamada pela Intel de “HK+MG” e serve para basicamente melhorar a eficiência geral dos transistores, permitindo que menos corrente passe quando o transístor está fechado e mais corrente passe quando ele está aberto.

A transição para o processo de 45 nanômetros gerou uma redução de quase 30% na energia necessária para mudar o estágio dos transistores e a combinação do high-k dielectric e o metal gate electrode tornou o chaveamento dos transistores cerca 20% mais rápido, com uma redução de 80% no gate-leakage (o desperdício de energia que cresce exponencialmente conforme aumenta a frequência de operação do processador), o que representou uma boa vantagem competitiva para Intel, reduzindo o consumo dos processadores e permitindo que eles fossem capazes de atingir frequências de operação mais altas. .