استفاده از فناوري 45 نانو در ساخت پردازنده هاي Intel
مقدمه :
امروزه پردازنده ها با فناوري 65 نانومتر توليد مي شوند. شرکت Intel در ساخت پردازنده هاي چهارهسته اي Penryn خود از فناوري 45 نانومتر بهره جسته است. در اين مقاله به بررسي روش هايي خواهيم پرداخت که شرکت Intel در گذر از فناوري 65 به 45 نانومتر استفاده نموده است.

نانو ترانزيستور
هنگامي كه اندازه يک ترانزيستور به اندازه 200 اتم سيليکون مي رسد ، رفتاري متفاوت خواهد داشت (اندازه اتم سيليكون 24/0 نانومتر است). ترانزيستور در نقش يك كليد ظاهر مي‌شود كه داراي دو وضعيت خاموش يا روشن مي باشد. اين دو وضعيت به ترتيب بيانگر صفر و يك منطقي هستند . هنگاميکه كه ترانزيستور روشن است، جريان اندكي را از خود عبور مي‌دهد ( از پايه Source به پايه Drain) و زماني كه خاموش است اين جريان قطع مي شود. فراهم نمودن سريع جريان كافي ، هنگاميكه ترانزيستور روشن مي‌شود و به حداقل رساندن جريان عبوري هنگاميكه ترانزيستور خاموش مي شود ، يكي از بزرگترين مشكلاتي است كه در ساخت ترانزيستور‌هاي كوچك و كم‌مصرف وجود دارد. در تصوير 1 نمايي از يك ترانزيستور CMOS را مشاهده مي‌نمائيد.
ولتاژ Gate و Source ، بودن يا نبودن جريان در كانال ترانزيستور را مشخص مي‌كند.در طراحي‌هاي متداول CMOS ، الكترود Gate از مواد پلي‌استر و عايق نيمه‌هادي دي‌الكتريك نيز از دي‌اكسيد سيليكون ساخته مي‌شود . اين دي‌الكتريك وظيفه ايزوله نمودن جريان كانال از جريان Gate را دارد. با كوچك شدن ترانزيستور انتظار مي‌رود كه تمامي بخش‌هاي آن نيز با هم كوچك شوند ولي اگر لايه دي‌الكتريك Gate بيش از اندازه كوچك شود ، رفتار غير طبيعي از خود نشان مي دهد.

فناوري 45 نانومتر و ترانزيستورهاي (High K+Metal Gate)
شرکت Intel در گذر از فناوري 90 نانو به 65 نانومتر ، ضخامت لايه دي‌الكتريك Gate را به اندازه 2/1 نانومتر کاهش داد که اين اندازه تقريبا معادل با 5 اتم دي اکسيد سيليکون است. مزيت نازك شدن لايه دي‌الكتريك در اين است كه با بيشتر شدن تاثير ميداني Gate ، امکان کنترل جريان كانال وجود دارد و جريان نشتي کانال کم مي شود. اما در صورت نازک تر شدن لايه عايق (کمتر از 2/1 نانومتر) ، احتمال تونل‌زدن الكترون‌هاي Gate و ورود آنها به كانال افزايش مي يابد. با ايجاد جريان نشتي در داخل کانال ، توان الکتريکي به هدر مي رود.براي يك ترانزيستور توان هدر رفته زياد به چشم نمي آيد ولي توان هدر رفته بيش از چهارصد ميليون ترانزيستور در هسته پردازنده به هيچ عنوان قابل اغماض نمي باشد.شرکتIntel به دليل استفاده از فناوري 45 نانومتري در ساخت پردازنده ، مي بايست با جريان نشتي Gate (به دليل نازك‌تر شدن لايه دي‌الكتريك) به نحوي مقابله مي نمود.بنابراين شرکت Intel براي كاهش جريان نشتي Gate ، دي‌الكتريك SiO2 ميان Gate و كانال را با يك لايه عايق ديگر كه ضريب دي‌الكتريك ( مقدار K) بيشتري دارد جايگزين نموده است. دي‌الكتريك جديد بر پايه عنصر هافنيم (Hf) ساخته شده است. جايگزيني دي الکتريک جديد به جاي SiO2 علاوه بر اين كه جريان نشتي Gate را كم‌تر كرده است، هدايت جريان كانال را نيز به لطف داشتن مقدار ضريب دي االکتريک بالاتر، بهبود بخشيده است (High K).
مشكل دوم شرکت Intel در طراحي ترانزيستور‌هاي 45 نانومتري ، به ماده پلي‌استري كه الكترود Gate از آن ساخته مي‌شود مربوط است. الكترود Gateدر كنترل جريان كانال نقش مهمي را ايفا مي نمايد. در طراحي‌هاي متداول ترانزيستور ، قسمتي از ناحيه اتصال الكترود با دي‌الكتريك به دليل به كار بردن ماده پلي‌استري به ناحيه تهي نيمه‌هادي تبديل مي‌شود. در فناوري 45 نانومتري ، اين ناحيه تهي در مقايسه با ضخامت الكترود به اندازه اي بزرگ خواهد شد كه عملا Gate را در كنترل جريان كانال محدود مي‌سازد. در تصوير 2 مي‌توانيد ناحيه تهي ايجاد شده در انتهاي الكترود Gate را مشاهده كنيد.رفع اين مشكل ، با جايگزيني الكترود پلي‌استري با يك الكترود فلزي (Metal Gate) امکان پذير شده است. بدين ترتيب ديگر در محل اتصال الکترود با دي الکتريک ناحيه تهي به وجود نخواهد آمد و Gate ترانزيستور مي‌تواند به خوبي جريان كانال را كنترل كند .شرکت Intel از مشخص كردن دقيق عنصر بکار رفته را در ترانزيستور‌هاي 45 نانومتري خود موسوم به ترانزيستور‌هاي HK+MG امتناع مي‌نمايد تا از ساير رقباي خود (مانند شرکت AMD) جلوتر باشد. در تصوير 3 مي‌توانيد اجزاي تشكيل دهنده يك ترانزيستور HK+MG را با يك ترانزيستور CMOS معمولي مقايسه نمائيد. در تصوير 4 , نمايي از دو ترانزيستور 65 و 45 نانومتري که توسط ميکروسکپ الکترونيکي تهيه شده است را مشاهده مي نمائيد.

نتيجه گيري
تغيير فناوري ساخت از 65 به 45 نانومتر با عنايت به بكار گيري ترانزيستور‌هاي HK+MG و كوچكتر شدن اندازه آنها ، توان الكتريكي لازم براي سوييچ كردن ترانزيستور 30% كاهش مي دهد ، چرا كه ترانزيستور كوچك‌تر داراي ظرفيت‌خازني كمتر و در نتيجه نياز به انرژي كمتري براي تغيير حالت خود دارد. همچنين سرعت سوئيچ ترانزيستور‌هاي 45 نانومتري 20% بيشتر از ترانزيستور‌هاي 65 نانومتري شده و در فرکانس برابر ، جريان نشتي Source-Drain پنج برابر كاهش يافته است . همچنين با توجه به استفاده از دي‌الكتريك قوي‌تر جريان نشتي Gate نيز 10 برابر كاهش يافته است . بنابراين مي‌توان نتيجه گرفت که پردازنده‌هاي مبتني بر فناوري 45 نانومتري شرکت Intel كه با نام Penryn شناخته مي شوند پردازنده‌هاي كم‌مصرف تر و سريع‌تري نسبت به نسل قبلي خود مي باشند.