Intel kondigt transistor met high-k metalen gate aan

Intel heeft ons vandaag laten weten dat het een belangrijke doorbraak heeft geboekt op het gebied van transistors. Het is er namelijk in geslaagd om een transistor te bouwen die gebruikmaakt van een high-k metalen gate. Deze transistor heeft hierdoor een gate met een 60% grotere capaciteit ten opzichte van huidige CMOS-transistors, wat betekent dat de transistor sneller kan schakelen ten opzichte van huidige CMOS-transistors. Daarnaast is de lekstroom door de gate een factor honderd kleiner, wat het stroomverbruik ten goede komt. Intel verwacht de transistor te kunnen gebruiken voor hun P1266-proces, dat in 2007 in gebruik zal worden genomen en transistors kan maken met een detail van 45nm.

Normaal gesproken bestaat de gate van een transistor uit een laag siliciumdioxyde dat als isolator dient en polykristallijn silicium dat als electrode dienst doet. Siliciumdioxyde is van huis uit een goede isolator, maar met de steeds kleiner wordende transistors, wordt ook de gate steeds kleiner en daarmee de laag siliciumdioxyde dunner. Tegenwoordig is deze zelfs nog maar vijf lagen atomen dik. Hierdoor lekt de isolator stroom, waardoor er meer stroom de gate ingestuurd moet worden om de transistor te laten geleiden. Hierdoor wordt de transistor niet alleen warmer, de lekstroom heeft ook een negatief effect op de schakelsnelheid.

Reden genoeg dus voor Intel om vijf jaar terug te starten met een zoektocht naar een ander materiaal waaruit de isolatielaag kan worden gemaakt. Dit materiaal moet het mogelijk maken om een dikkere gate te fabriceren en moet daarnaast beschikken over een hogere diëlektrische constante dan siliciumdioxyde (>3,9) of beter een high-k-materiaal. Intel is er dus in geslaagd om een geschikt materiaal hiervoor te vinden.

Wie echter dacht dat de zoektocht hiermee voorbij was, heeft het mis. De interactie tussen een materiaal met een hoge diëlektrische constante en polykristallijn silicium, waaruit de rest van de gate is gemaakt, zorgt echter voor een aantal problemen. Ten eerste mogen er geen oneffenheden tussen de twee materialen zijn, anders wordt het voltage waarop de transistor schakelt te hoog. Ook treedt er een effect op dat 'phonon scattering' heet, dat gerelateerd is aan de kwantummechanica en er voor zorgt dat de elektronen minder snel kunnen bewegen.

Ook voor dit probleem heeft Intel een oplossing gevonden, door het polykristallijn silicium te vervangen door een metaal in combinatie met een speciaal en nieuw fabricageproces. Het uiteindelijke resultaat is een high-k metalen gate transistor met zo goed als geen lekstroom als hij 'uit' is en zo goed als geen weerstand als hij 'aan' staat. Met andere woorden, een transistor met eigenschappen die elk record breken.

Reacties (48)

[Jeroen O]

Ik begrijp iets niet aan dit verhaaltje. Ze zeggen dat van de gate, de capaciteit met 60% is toegenomen en dat daardoor de schakelsnelheid toeneemt.

Volgens mij klopt dit niet. Normaal is het zo dat een grotere gate-capaciteit de transistor trager maakt, omdat iedere keer dat de transistor schakelt, deze capaciteit moet worden opgeladen/ontladen. Bij een grotere capaciteit duurt zoiets veel langer.

Is er nu een foutje gemaakt of ben ik nu in de war en bedoelen ze met gate-capaciteit hier iets anders

[Anoniem: 90732]

Ik ben het ook met je eens, een grotere cap. betekent een lagere band-breedte en dus een lagere schakel snelheid.

Ik denk dat ze bedoelen dat de transistor een 60 % hogere gate schakel capaciteit heeft. dus niet dat de gate cap 60% groter is.

[Ploink]

Het engelse woord 'capacitance' betekent specifiek capaciteitswaarde van een condensator, dus er wordt niet iets anders bedoeld.
Ik denk dat het zo zit:
De 'high k' slaat op de hoge dielectrische constante van de laag tussen gate en substraat. Deze laag is dik en elektrisch isolerend, waardoor de lekstroom zeer laag is.
Een mosfet schakelt doordat een spanning tussen Gate en Source een electrisch veld veroorzaakt, dat het halfgeleider materiaal (substraat) tusen Drain en Source geleidend maakt.
De high-k laag heeft een hoge capaciteit (maw, is een goede 'geleider' voor een electrisch veld). Ondanks dat de gate ver van het substraat afzit wordt dankzij de high-k het elektrisch veld in het substraat snel en sterk opgebouwd en schakelt de fet snel.

[Swinnio]

Een beetje elektrostudent zou dit meteen moeten kunnen verklaren. Helaas is het bij mij alweer een aantal jaartjes geleden dat ik dat moest leren.
Heb echter nog wel kunnen nakijken dat de schakeltijd van een simpele inverter omgekeerd evenredig is met de oxide-capaciteit.
Zoiets als: tau ~ 1 / (beweeglijkheid electronen * Cox * (Vgs - Vt)^2 ).
De term Cox is dan waar intel hier aan refereert. Zie bijvoorbeeld hier voor een duidelijkere (?) uitleg.

[TriLithium]

Ik denk ook dat hier een ander soort capaciteit bedoeld wordt dat menig elektro student zal doen denken, ik moest het ook even goed lezen omdat het mij ook volkomen niet logisch leek

[Luxx]

Leuk artikel! Ik vind het altijd wel leuk om te lezen hoe de processen veranderen, en in dit artikel is dat toch even kort uitgelegd. Verder ziet het er veel belovend uit. Een veel kleinere lekstroom, kan dus veel vaker schakelen om de totale warmte ontwikkeling te evenaren. Kortom, veel snellere transistoren dus.

De laatste tijd hoor je steeds meer klachten over het hoge stroomverbruik bij de Intel processoren. Dat zou dus vanaf .45u weer een stapje teruggebracht kunnen worden. Jammer dat we er nog zo lang op moeten wachten, maar wel fijn om te horen dat de "rek" er de komende jaren in ieder geval zeker nog niet uit is. Eigenlijk is 2007 voor een heel nieuw productieproces al best wel snel. Dat is nog maar 3 jaartjes. Zal nog wel iets langer duren, maar toch is het al best snel (als je tenminste bedenkt dat ze inhet hele ontwerpproces van een processor de transistoren optimaliseren voor deze techniek.)

Als je dan ook nog eens bedenkt dat het mes aan 2 kanten snijdt. Door de lagere lekstroom wordt alles minder warm, wat een lager verbruik oplevert. Aan de andere kant zorgt een betere gelijding voor een lagere "werkspanning" (de transistor schakelt makkelijker bij minder weerstand) dus daardoor gaat het gebruikte vermogen ook omlaag.

[edit]Ohja, waar komt dit artikel vandaan, ik zie de gebruikelijke bron niet staan

[Wouter Tinus]

[quote]
[edit]Ohja, waar komt dit artikel vandaan, ik zie de gebruikelijke bron niet staan
[/quote]

Intel heeft ons de informatie voor de officiële presentatie opgestuurd. Die presentatie heeft inmiddels plaats gevonden, en het dus zal binnenkort ook wel op hun website verschijnen .

[Morax]

Inderdaad, er zitten veel voordelen aan deze nieuwe transistor. Hij verbruikt minder stroom, word hierdoor minder warm, en hij is kleiner. Hierdoor kunnen er ook meer transistors op 1 core, wat hem weer snellere processors mogelijk maakt en dat terwijl de transistor an sich al sneller is

Ze lopen alleen nog tegen wat probleempjes aan, maar het lijkt me dat ze die wel kunnen oplossen voor 2007 Ik hoop iig van wel.

Overigens hebben ze misschien nog wel de tijd om de transistor nog wat meer te optimaliseren wat nog meer voordelen met zich mee kan brengen, maar dat zullen we nog wel zien.
In ieder geval leuk te horen dat er weer meer vooruitgang is in de processortechnologie, want de laatste tijd (leek) het stil te staan, omdat je nooit meer wat hoorde en omdat de snelheden een tijd lang bleven hangen, tot AMD dan met de Athlon 64 kwam.

[Anoniem: 39475]

Ondertussen hebben de meeste andere IT-nieuws-sites dit nieuwtje ook overgenomen bi oa. newsfactor

[Molybdenum]

het is high-K + metaal (zie de titel van het plaatje). er bestaan namelijk geen high-K metalen. high-K geldt voor isolatoren. een metaal geleidt altijd stroom dus zou er gewoon een kortsluiting ontstaan.

[Anoniem: 13397]

Precies. K is de relatieve dielectrische constante van een dielectricum oftewel isolator.

[Molybdenum]

met jou kan ik praten!

[Daro]

Dit wordt wel heel interessant, want zoals iedereen weet, "Hitte is de ergste vijand van een processor"

Hopelijk kan de proc-evolutie nu weer snel vooruit.
(en kan AMD ook met zoiets komen voor genoeg concurrentie)

[Swinnio]

Dit wordt wel heel interessant, want zoals iedereen weet, "Hitte is de ergste vijand van een processor"

Ik het kader van dit artikel zou ik dat willen nuanceren tot "hitte is de ergste vijand van kleine en snelle transistoren". Het probleem van een hete processor kan immers op meerdere manieren worden aangepakt; hier gaat het daadwerkelijk om de individuele transistoren waar het ding uit is opgebouwd.

Hopelijk kan de proc-evolutie nu weer snel vooruit.
(en kan AMD ook met zoiets komen voor genoeg concurrentie)

Snel vooruit is ook maar relatief. Pas rond 2007 dus dat duurt nog wel een tijdje. En reken maar dat AMD dan ook de nodige vooruit heeft geboekt. Vergeet niet dat het hier gaat om promotiemateriaal van intel, waardoor het wordt gepresenteerd als de oplossing. In werkelijkheid is het IMHO slechts een mogelijke oplossing. Waarbij "oplossing" misschien niet eens het goede woord is, het is meer een vooruitgang.

[Beaves]

Pas rond 2007 dus dat duurt nog wel een tijdje. En reken maar dat AMD dan ook de nodige vooruit heeft geboekt.

Alleen heeft AMD bij lange na niet het R&D budget wat Intel heeft, alleen zal AMD dit soort onderzoeken niet kunnen doen dus verwacht van AMD alleen geen oplossingen in deze trant.

Gelukkig is er naast Intel nog een chipfabrikant die erg veel met R&D bezig is (zelfs nog meer als je naar het aantal patenten kijkt wat ze per jaar indienen) waar AMD nu al mee samen werkt, namelijk IBM. In mijn ogen op gebied van R&D minimaal net zo goed als Intel. Zo heeft IBM SOI ontwikkeld, iets waar AMD dankbaar gebruik van maakt bij de Opteron en de Athlon 64 (FX).

IBM zal tegen die tijd zeker de nodige vooruitgangen geboekt hebben waardoor AMD ook van dat soort nieuwe technieken gebruik kan maken.

Vergeet niet dat het hier gaat om promotiemateriaal van intel, waardoor het wordt gepresenteerd als de oplossing. In werkelijkheid is het IMHO slechts een mogelijke oplossing. Waarbij "oplossing" misschien niet eens het goede woord is, het is meer een vooruitgang.

Als Intel straks echt CPU's bakt met "high-k gates" dan kan je gerust van een revolutie spreken, bijna vergelijkbaar met de overgang van de buizen naar de transistors. Want dan kan Intel bijna op atoom niveau CPU's gaan bouwen, iets wat nu nog onmogelijk is. Ik zie het dus als meer dan een vooruitgang. Een vooruitgang is meer iets als SOI en dat soort technieken.

[mr._Anderson]

AMD werkt pas sinds korte tijd samen met IBM dacht ik.. en AMD heeft net zogoed meegeholpen met de ontwikkeling van SOI.. waren ze er niet mee begonnen ??

Ondanks het kleinere budget van AMD hebben ze nog altijd Intel bij kunnen houden, en nu de samenwerking met IBM er is zal dat alleen maar beter worden.

[Anoniem: 87964]

Als Intel straks echt CPU's bakt met "high-k gates" dan kan je gerust van een revolutie spreken, bijna vergelijkbaar met de overgang van de buizen naar de transistors. Want dan kan Intel bijna op atoom niveau CPU's gaan bouwen, iets wat nu nog onmogelijk is. Ik zie het dus als meer dan een vooruitgang. Een vooruitgang is meer iets als SOI en dat soort technieken.

Nou ik denk dat je tever gaat nu, want de isolatie laag is nu 5 atomen dik (wat te dun is eigenlijk). Ze zeggen niet dat de high-k gates dunner zijn, integendeel, want als ze zo dun zijn gaan ze alleen maar weer lekken. Ze zullen wel kleiner worden maar dat komt niet door de high-k gate maar door de productie process op kleinere micron meters...

[Goku33]

Helaas zegt intel zelf er pas in 2007 gebruik van te kunnen maken om echt transistors te maken. Voordat deze dan echt in gebruik zijn bij de productie van (desktop-)processors zijn we weer een aantal jaren verder... je kan dus nog wel even wachten op een echte radicale verandering

[Wouter Tinus]

Nee, transistors kunnen ze nu al maken, echte processors in 2007.

[boner]

warmte != hitte.

warmte is de grootste vijand van chips. Als het a hitte is ben je te laat.

Op deze manier produceert de proc minder warmte waardoor er minder snel hitte ontstaat.

[Anoniem: 75461]

Kan iemand me nou in het nederlands uitleggen waarom dit afkoelend zou werken?

/EDIT: nu weet ik het tenminste. Ik ben namelijk een electro-techniek n00b

[Swinnio]

Als een transistor niet hoort te geleiden, doet hij dat "stiekem" toch een beetje. Deze kleine stroom wordt lekstroom genoemd en wordt in principe alleen in warmte omgezet. Immers, hij is niet nodig voor de werking van de transistor (op logisch niveau is de transistor gesperd, ongeacht of de lekstroom klein of echt nul is). Door deze stroom te beperken wordt er dus minder energie die aan de transistor wordt toegevoerd, omgezet in warmte. Logisch gevolg is dan dat een schakeling gebouwd met dit type transistoren "koeler" blijft bij gelijke specificaties.

/edit: progie, of jouw verklaring klopt, kan ik zo snel niet nagaan. Feit is dat de mijn gesuggereerd wordt door de nieuwspost. Helaas is er geen bron beschikbaar, zodat we niet na kunnen gaan wat Intel in gedachten heeft.

[Anoniem: 90732]

Euh ik weet het niet zeker maar volgens mij komt het door dat er in driver trappen vaak tussen de spanning (Vcc) en null (gnd) twee transistorren gebruikt worden. dit om een goed gedefineerd signaal te krijgen.

Om van 0 naar 1 te gaan moet een van de transistoren van geleidend naar sper gaan. aan gezien n of p transsistoren of fet's nooit gelijke schakel tijden hebben tijdens het omschakelen, loopt er een stroom immers beide transistoren of fet's geleiden en is dus eigenlijk een "kleine kortsluiting", dit kan geen kwaad om dat het tijds bestek te kort is.

Het dunner worden van de ge-etste sporen in de modernere cpu zorgen voor meer weerstand en dus ook een temp verhoging.

De ander factor is het schakelen van de transistor zoals het hier boven beschreven, hoevaker de toestand verandert, van 0 naar 1 hoe meer "kortsluitingen" er zijn per tijds eenheid.

Je kan je dus voorstellen dat een 1 Ghz CPU minder "sluitingen" maakt dan een 5 Ghz CPU.

[Anoniem: 62890]

Motorola Heeft Low-K en intel Heeft Low-K

gow wat origineel.....

http://e-www.motorola.com/files/abstract/article/LEADERSHIP_TECH.html

[Swinnio]

Goed lezen.... intel heeft High-k. Hoewel met beide een dielektrische constante bedoeld wordt, is het toepassingsgebied compleet anders. Intel heeft het over het materiaal tussen het silicium en de gate van een enkele transistor, Motorola heeft heeft over de capacitieve koppeling tussen metalen leidingen op een printplaat.
Heeft dus helemaal niks met elkaar te maken.

[ytsmabeer]

we krijgen in 2005 al van een intel een speciale versie van SOI wat dan al minder warmte produceert zodat ze de 5ghz kunnen halen

[Anoniem: 86857]

Het is toch opmerkelijk dat een processor ontwerper ook de transistor zelf ontwerpt. Het maken van specifieke componenten kan natuurlijk een enorm voordeel geven bij het maken van je produkt, de processor, maar de 'nieuwe' transistor hier is algemeen toepasbaar.

Punt is, dat dergelijk innovaties Intel een edge geven boven AMD en AMR. Ik ben blij dat AMD al samen werkte met IBM want anders ben ik bang dat... Intel ze plat walst. De nieuwe techniek is natuurlijk hoogst interessant voor mobile devices en graphics cards. Go, Intel!

[Anoniem: 96480]

De schakelsnelheid van een transistor is een functie van twee factoren:

1) de stroom die de transistor kan leveren
Id=k/2*(vgs-vt)^2 voor een MOSFET in saturatie (waarin vgs de gate-source spanning, en vt de drempelspanning en k=mu_n*Cox*W/L)
2) de load die aan de transistor hangt. meestal weer een volgende transistor-gate, en daarvan is de capaciteit:
Cox*W*L

De totale schakeltijd is gelijk aan t=Vdd/2*C/I=Vdd/2*(2)/(1)=L^2/(mu_n/2*(Vgs-Vt)^2) waaruit Cox dus wegvalt...

[Anoniem: 96480]

met 'leakage current' bedoelt men de tunneling van de gate electrode naar het substraat, wat een steeds groter probleem wordt als gevolg van de steeds dunner wordende gate. doordat de high-k gate weer dikker kan is dit probleem opgelost.

... en dus niet de 'crowbar current' waar door progie naar gerefereerd wordt.