پردازنده‌هاي 32 نانومتري اينتل

[rezalaghaian]

پردازنده‌‌هاي كامپيوترهاي خانگي و كامپيوترهاي همراه طي چند سال اخير دچار تحولات متعددي شده‌اند. اين تحولات كه همگي در جهت افزايش كارايي انجام گرفته، بيشتر در بخش معماري پردازنده و افزايش حافظه كش پردازنده بوده است. افزايش مقدار كش و همچنين تغيير در معماري پردازنده، هميشه همراه با فرايند ساخت جديد و استفاده از ترانزيستورهاي كوچك‌تر بوده است، طوري كه هر دو شركت اينتل و AMD براي آنكه بتوانند پردازنده‌هايي با كارايي بالاتر توليد كنند، هر چند وقت يكبار فرايند ساخت پردازنده‌هاي خود را تغيير داده‌اند. فرايند ساخت پردازنده، اشاره به اندازه ترانزيستورهاي به كار گرفته شده در هسته دارد. به عنوان مثال فرايند ساخت 45 نانومتري بدين معناست كه پردازنده ترانزيستورهايي با اندازه 45 نانومتر دارد.
اما چرا سازند‌گان قطعات الكترونيكي، همچون توليدكنندگان پردازنده، حافظه، پردازنده گرافيكي و ...، فرايند ساخت محصولات‌ خود را تغيير مي‌دهند؟ توليدكنندگان پردازنده‌ به چند دليل فرايند ساخت خود را تغيير مي‌دهند. اول اينكه اين موضوع سبب خواهد شد تا اندازه هسته پردازنده كوچك‌تر شود. همانطور كه مي‌دانيد، پردازنده از يك ويفر سيليكوني تشكيل شده است كه در واقع ترانزيستورها روي آن حكاكي مي‌شوند. هر چه فرايند ساخت كوچك‌تر شود، به ويفر سيليكوني كوچك‌تري نياز خواهد بود. استفاده از ويفر سيليكوني كوچك‌تر، موجب كاهش قيمت پردازنده به ميزان قابل توجهي خواهد شد. از طرف ديگر، اگر از ويفر سيليكون با اندازه قبل استفاده شود، مي‌توان تعداد ترانزيستورهاي بيشتري را روي آن حكاكي كرد. افزايش تعداد ترانزيستورها دو پيامد به همراه دارد: ا_ افزايش ميزان كش 2_افزايش توان عملياتي پردازنده. در نهايت كاهش اندازه ترانزيستور موجب كاهش مصرف توان مي‌شود و بنابراين سازندگان مي‌توانند سيستم‌هاي كم مصرف‌تري توليد كنند.
به طور كلي سازندگان پردازنده براي كاهش قيمت محصولات خود و همچنين افزايش كارايي آنها، سعي در كوچك‌تر كردن ترانزيستورها دارند. در اين زمينه، شركت اينتل همواره نسبت به AMD پيشتاز بوده است. اين شركت قصد دارد از فرايند ساخت جديد‌تري براي پردازنده‌هايش استفاده كند.

هفت ميليارد دلار سرمايه‌گذاري
اين ميزان مبلغ را اينتل تنها در ايالات متحده آمريكا براي فرايند ساخت 32 نانومتري‌ خرج كرده است. در اواخر سال آينده، كل سرمايه‌گذاري شركت اينتل در آمريكا براي حركت به سوي فرايند 32 نانومتري، تقريباً به حدود 8 ميليارد دلار خواهد رسيد. اين در حالي است كه اين روزها خبرهاي مبتني بر بحران اقتصادي در آمريكا و ورشكستگي بسياري از كمپاني‌هاي مشهور در اين كشور به گوش مي‌رسد. اما آيا سرمايه‌گذاري در اين سطح عظيم، به اينتل در آينده ضربه اقتصادي وارد نخواهد كرد؟
اينتل بايد هميشه به فعاليت‌هاي رقيب اصلي خود يعني AMD نيز توجه داشته باشد. فعاليت‌هاي رقيب اصلي اينتل نشان مي‌دهد كه اين شركت بايد براي از دست ندادن بازار، به سوي فرايند ساخت جديدتري برود. از اين رو اينتل متحمل چنين هزينه سنگيني شده است.
نفشه فرايند ساخت
مطابق با برنامه‌ريزي تيك‌ـ‌ تاك، شركت اينتل بايد هر دو سال يكبار فرايند ساخت جديدي معرفي كند. در شكل 1 اين چرخه دو ساله و تحولات مرتبط با آن نشان داده شده است. همانطور كه مشاهده مي‌كنيد، اينتل بايد در سال 2009 ميلادي به فناوري ساخت 32 نانومتري دست پيدا كند.

شکل

[rezalaghaian]

اولين پردازنده 45 نانومتري اينتل با اسم رمز Penryn در اواخر سال 2007 ميلادي معرفي شد. Penryn ابتدا شامل پردازنده‌هاي حرفه‌ا‌ي و سپس در اواسط 2008 شامل پردازنده‌‌هاي سطح متوسط شد. در حال حاضر مي‌توان پردازنده‌هايي بر پايه Penryn و مبتني بر فرايند ساخت 45 نانومتري در بازار پيدا كرد كه قيمتي كمتر از 100 دلار دارند. در نسل بعدي پردازنده‌‌هاي اينتل، اندازه ترانزيستورها به 32 نانومتر كاهش خواهد يافت. اكنون به ترانزيستورهاي به كار گرفته شده در فرايند ساخت 32 نانومتري مي‌پردازيم. شكل 2 نماي يك ترانزيستور CMOS است.

شکل 2

وقتي ترانزيستور روشن است، جريان از Source به Drain جاري مي‌شود و زماني كه ترانزيستور خاموش مي‌شود، اين جريان قطع خواهد شد. با توجه به اينكه هر چند وقت يكبار فرايند ساخت پردازنده‌ كوچك‌تر مي‌شود، اندازه ترانزيستور و در نتيجه بخش‌‌هاي آن نيز كوچك‌تر مي‌شود. اينتل بعد از معرفي پردازنده‌هاي 65 نانومتري خود متوجه اين موضوع شد كه ديگر قادر به كوچك‌تر كردن بيشتر عايق دي‌الكتريك گيت نيست. زيرا با كوچك‌تر كردن دي‌الكتريك، اين احتمال وجود داشت كه جريان نشتي ترانزيستور افزايش پيدا كند. افزايش جريان نشتي موجب عدم پايداري و در نتيجه عدم عملكرد صحيح پردازنده مي‌شود. در فرايند ساخت 65 نانومتري، ضخامت دي‌الكتريك گيت 1.2 نانو‌متر (ضخامتي در حدود 5 اتم) بود، اما در فناوري ساخت 45 نانومتري، اينتل دي‌الكتريك گيت را از SIO2 به يك ماده High-K از جنس هافنيم
(Hudnium) تغيير داد. علاوه بر اين، جنس الكترود گيت از پلي‌سيليكون به متال تغيير يافت كه اين موضوع موجب مي‌شود جريان بيشتري در زمان روشن شدن ترانزيستور جاري شود.
بنابراين اينتل براي توليد پردازنده‌هاي 45 نانومتري، دو تغيير عمده در اساس ترانزيستورها به وجود آورد. اما اكنون براي توليد پردازنده‌هاي 32 نانومتري، قصد دارد از نسل دوم ترانزيستورهاي خود كه پيشرفت‌هاي جديدي يافته‌اند، استفاده كند.
دي‌الكتريك گيت اندكي نازك‌تر شده اما جنس آن همانند گذشته از هافنيم است. اندازه اين دي‌الكتريك در فرايند 45 نانومتري معادل 1 نانومتر است، اما در 32 نانومتري احتمالاً به 0.9 نانومتر خواهد رسيد (شکل 3).

شکل

[rezalaghaian]

اندازه ترانزيستور 32 نانومتري تقريباً 70 درصد اندازه ترانزيستور 45 نانومتري است، بنابراين اينتل مي‌تواند ترانزيستورهاي بيشتري را در سطحي كوچك‌تر جاي دهد (شکل 4).

شکل 4

اينتل براي توليد پردازنده 32 نانومتري، مجبور به ايجاد تغييراتي در نحوه ساخت پردازنده‌هايش شده است. بزرگ‌ترين تغييري كه اينتل در اين فرايند ساخت ايجاد كرده، استفاده از ليتوگرافي شناور روي لايه‌هاي فلز حساس است. همانطور كه مي‌دانيد براي ساخت ترانزيستورهاي كوچك‌تر، تجهيزات مورد استفاده بايد رزوليشن بالاتري داشته باشند. ليتوگرافي شناور در حقيقت يك تكنيك افزايش رزولوشن است كه فاصله هوايي معمول بين لنز نهايي و سطح ويفر را با مايعي كه ضريب شكست بزرگ‌تر از نوع قبل دارد، جايگزين مي‌كند. مايع به كار گرفته شده در ابزارهاي ليتوگرافي شناور فعلي، آب تصفيه شده است. بنابراين اينتل براي توليد پردازنده‌هاي 32 نانومتري مجبور به ايجاد تغييرات در تجهيزات ليتوگرافي فعلي شده است. اين موضوع سبب شده تا اين شركت هزينه‌هاي بسيار زيادي متحمل شود. اما براي آنكه بتواند ترانزيستورهاي كوچك‌تر از 45 نانومتر توليد كند، چاره‌‌اي جز اين نداشته است. لازم به ذكر است كه شركت AMD براي توليد پردازنده‌هاي مبتني بر فرايند ساخت 45 نانومتري، از تجهيزات ليتوگرافي شناور استفاده كرده است (شکل 5).

شکل 5

اينتل مي‌گويد كارايي ترانزيستورها در فرايند 32 نانومتر رشد قابل توجهي داشته است. شکل شماره 6 نيز بيان‌گر اين حقيقت است. در اين شکل، ميزان جريان نشتي در مقايسه با زماني كه جريان از ترانزيستورها عبور مي‌كند، براي هر دو نوع ترانزيستور 32 نانومتري N-Channel و P-Channel نمايش داده شده است.

شکل

[rezalaghaian]

ترانزيستورهاي جديد پيشرفت قابل توجهي در افزايش توان کارايي ارايه كرده‌اند. اين ترانزيستورها عملكرد سريع‌تري دارند و با توجه به كاهش قابل توجه جريان نشتي، كه نسبت به ترانزيستورهاي 45 نانومتري اينتل، در حدود 5 الي 10 درصد کمتر است، مي‌توان آنها را در فركانس‌هاي بالاتر نيز استفاده كرد. اينتل ادعا مي‌كند كه ترانزيستور 32 نانومتري‌اش قادر به عبور جريان بيشتري در مقايسه با ديگر ترانزيستورهاي رايج امروزي است.
به طور كلي با توجه به مشخصه‌هاي كارايي و توان فرايند ساخت 32 نانومتري، اين طور به نظر مي‌رسد كه اين فناوري ساخت، در تجهيزات موبايل بسيار مورد توجه قرار بگيرد. به هر حال مصرف توان پايين‌تر و كارايي بالاتر قطعاً براي محصولات موبايل بسيار جذاب خواهد بود.
كش بزرگ‌تر
اينتل به طور معمول، بعد از معرفي يك فرايند ساخت جديد، ابتدا محصولي مبتني بر آن اما با كش بزرگ‌تر نسبت به محصولات ما قبل خود توليد مي‌كند. اولين چيپ SRAM اينتل كه مبتني بر فرايند 32 نانومتري بود، در اواخر سال 2007 معرفي شد. خصوصيات برجسته اين محصول در شكل 7 نشان داده شده است.

شکل 7

اين چيپ 291 مگابيتي، از 1.9 ميليارد ترانزيستور تشكيل شده و در فركانس 4 گيگاهرتز عمل مي‌‌كند. اندازه هر سلول اين چيپ برابر 0.171 ميكرومتر مربع است. به عبارت ساده‌تر، در اين فرايند ساخت جديد براي ذخيره هر بيت داده نياز به فضايي برابر با 0.171 ميكرومتر مربع است. در فرايند ساخت 45 نانومتري، اندازه هر سلول
0.346 ميكرومتر مربع بود (سلول‌هاي پردازنده‌ كامپيوتر خانگي و Atom اندكي بزرگ‌تر است) اين در حالي‌ است كه سلول‌هاي SRAM با فناوري 45 نانومتري به كار گرفته شده در پردازنده‌هاي AMD از اندازه 0.370 ميكرومتر مربعي برخوردارند. در فرايند 32 نانومتري، اندازه هسته مي‌تواند تقريباً به نصف كاهش پيدا كند. اين موضوع بدين معني است كه اينتل قادر است در مساحتي يكسان، با پردازنده‌هاي نسل قبل خود تعداد ترانزيستورها و در نتيجه مقدار كش آنها را دو برابر كند. يا اينکه پردازنده‌هايي با همان ميزان كش سابق اما با نصف اندازه هسته نسل قبل توليد كند. Core i7 چيپ تقريباً بزرگي با اندازه 263 ميلي‌متر مربع است و انتظار مي‌رود كه اينتل اندازه اين سطح را كاهش دهد و پردازنده‌هاي Core i7 نسل بعد با افزايش اندكي در مقدار كش و كاهش چشم‌گيري در اندازه سطح هسته توليد شوند (شکل 8).

شکل

[rezalaghaian]

دو فرايند ساخت 32 نانومتري متفاوت
هر يك از فرايند‌هاي ساخت اينتل شامل دو گروه مي‌شود: يكي براي پردازنده‌ها و ديگري براي SoCها (System on a Chip). فرايند 32 نانومتري اكنون دو روش ساخت به نام P1268 (براي پردازنده‌ها) و P1269 (براي SoC) دارد. به طور كلي دو تفاوت عمده بين فرايند ساخت نسخه پردازنده و SoCها وجود دارد. نسخه SoC براي جريان نشتي پايين بهينه‌سازي مي‌شود، در حالي كه نسخه پردازنده براي عبور جريان بالا بهينه‌سازي خواهد شد. در نمودار جريان نشتي در مقابل جريان عبوري، فرايند P1268 موجب مي‌شود تا نمودارها به سمت راست حركت كنند، در حالي كه در روش P1269 كاهش جريان نشتي مد نظر است. همچنين SoCها نيازمند جريان بالاتري نسبت به ولتاژ طبيعي هستند، بنابراين نيازمند فرايند ساختي هستند كه بتواند اين ولتاژ‌ها را تحمل كند.
تيك ـ تاك
اگر به خاطر داشته باشيد، پردازنده‌هاي Conroe در جولاي 2006 ميلادي، Penryn در اكتبر 2007 و Nehalem در نوامبر 2008 معرفي شدند. اين پردازنده‌ها به ترتيب در دوره‌هاي تاك، تيك و تاك اينتل عرضه شده‌اند. اكنون يكبار ديگر نوبت به دوره تيك است. اينتل امسال قصد دارد Westmere را معرفي كند. با توجه به اين موضوع كه اين هسته در دوره تيك اينتل قرار دارد، بنابراين به راحتي مي‌توان حدس زد كه نسبت به پردازنده‌هاي Core i7 (پردازنده‌هاي Nehalem) موجود تنها شامل فرايند ساخت كوچك‌تر مي‌شود (شکل 9).

شکل 9

در حقيقت Westmere نسخه 32 نانومتري Nehalem است، شبيه Penryn كه نسخه 45 نانومتري Conroe/Merom بود. Westmere در فصل پاياني امسال معرفي خواهد شد. اينتل قصد دارد ابتدا نسخه كامپيوترهاي خانگي و سپس نسخه موبايل اين هسته را معرفي كند.
نام‌گذاري‌هاي پيچيده
خانواده Nehalem در حقيقت اشاره به پردازنده‌هاي‌ كامپيوتر خانگي، سرور و موبايل شركت اينتل دارد كه مبتني بر فرايند ساخت 45 نانومتري هستند. پردازنده‌هاي خانواده Nehalem از نظر معماري با پردازنده‌هاي خانواده Penryn تفاوت زيادي دارند، در حالي كه هر دو از فرايند ساخت 45 نانومتري استفاده مي‌كنند. Nehalem شامل چند هسته مختلف مي‌شود كه عبارتند از:
• Bloomfield
هسته Bloomfield كه در پردازنده‌هاي سطح حرفه‌اي به كار گرفته شده، شامل چهار هسته‌ مي‌شود و قادر به پردازش هشت Thread به طور همزمان است. پردازنده‌هاي Core i7 فعلي مبتني بر اين هسته ‌هستند.
• Lynnfield و Clarksfield
اينتل اواخر امسال، دو هسته جديد مبتني بر Nehalem به نام‌هاي Lynnfield و Clarksfield معرفي خواهد كرد كه هر دوي آنها 4 هسته‌‌اي هستند و قابليت پردازش هشت Thread را به طور همزمان دارند. در حقيقت پردازنده‌هاي خانگي ارزان‌قيمت Core i7 مبتني بر Lynnfield خواهند بود و مبتني بر سوكت LGA-1156 هستند و به جاي پشتيباني از حافظه‌هاي سه كاناله، از حافظه‌هاي دو كاناله DDR3 پشتيباني مي‌كنند. Clarksfield نيز نسخه موبايل Nehalem است و در نوت‌بوك‌ها مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

[rezalaghaian]

پردازنده‌هاي 32 نانومتري
اگر به خاطر داشته باشيد، فرايند ساخت 65 و 45 نانومتر ابتدا در پردازنده‌هاي حرفه‌ا‌ي معرفي شد. اما اينتل رويكرد متفاوتي براي پردازنده‌هاي 32 نانومتري خود در نظر گرفته است. فرايند ساخت 32 نانومتري ابتدا در پردازنده‌هاي سطح متوسط به كار گرفته خواهد شد. در حقيقت اينتل اين بار، ابتدا از فرايند 32 نانومتري خود در پردازنده‌هاي سطح متوسط استفاده مي‌كند و سپس بعد از گذشت چند ماه، يك پردازنده حرفه‌‌اي مبتني بر فرايند ساخت 32 نانومتري معرفي خواهد كرد.
هسته‌هاي مبتني بر فرايند ساخت 32 نانومتري ‍Clarkdale و Arrandale نام خواهند داشت و شامل 2 هسته پردازشي با قابليت HyperThreading هستند كه اين پردازنده‌ها را قادر مي‌سازد تا به طور همزمان چهار Thread را پردازش كنند. هر دو هسته ذكر شده، گرافيك مجتمع هستند اما Clarkdale براي كامپيوترهاي موبايل و Arrandale براي كامپيوتر‌هاي خانگي در نظر گرفته شده است.
نكته جالب توجه در مورد Clarkdale و Arrandale هسته گرافيكي مجتمع شده در آنهاست. اين هسته از فرايند ساخت 45 نانومتري استفاده مي‌كند. در حقيقت اينتل براي قسمت‌هاي مرتبط با پردازنده، از فرايند 32 نانومتري استفاده مي‌كند، اما براي بخش گرافيكي گنجانده شده در اين هسته‌ها، از فرايند 45 نانومتري استفاده خواهد كرد. اينتل قصد دارد در سال 2010 با معرفي پردازنده‌هاي مبتني بر معماري Sandy Bridge از فرايند ساخت 32 نانومتري براي پردازنده و هسته گرافيكي مجتمع‌ شده در آن استفاده كند. نكته جالب توجه ديگر در مورد اين دو هسته اين است كه كنترلر حافظه به جاي پردازنده روي بخش GPU واقع خواهد شد. گرچه اين تكنيك نيز موجب افزايش زمان‌هاي تاخير خواهد شد، اما به نظر مي‌رسد كارايي گرافيكي پردازنده‌هاي اينتل را به ميزان قابل توجهي افزايش دهد (شکل 10).

شکل 10

اما در مورد پردازنده‌هاي چهار هسته‌‌اي، اينتل با Westmere هيچ‌گونه پردازنده 4 هسته‌ا‌ي توليد نخواهد كرد و تنها در نيمه اول 2010 پردازنده‌هاي 6 هسته‌ا‌ي جديدي مبتني بر Westmere معرفي مي‌كند. هسته اين پردازنده Gulftown نام دارد و مبتني بر سوكت LGA-1366 خواهد بود كه قابليت پردازش دوازده Thread به طور همزمان را دارد. شايد اينتل متوجه اين موضوع شده است كه در حال حاضر پردازنده‌هاي چهار هسته‌ا‌ي براي كامپيوترهاي خانگي و سيستم‌هاي اداري كاربردي زيادي ندارد.

[rezalaghaian]

دستورالعمل‌هاي جديد
شبيه Penryn كه شامل مجموعه دستورالعمل‌هاي جديد SSE 4.1 بود، Westmere نيز شامل 7 دستورالعمل جديد است. اين دستورالعمل‌ها به طور قابل توجهي روي الگوريتم‌هاي شتاب‌دهنده‌ رمزگشايي/رمزگذاري تمركز دارند و شامل يك دستورالعمل جديد براي ضرب(carryless (PCLMULQDQ و 6 دستورالعمل AES مي‌شوند.
سخن آخر
رويكرد اينتل و محصولاتي كه اين شركت در سال جاري معرفي مي‌كند، كاربران حرفه‌اي را اندكي نگران خواهد كرد. زيرا در بخش پردازنده‌هاي حرفه‌اي، تا پايان امسال هيچ پردازنده‌اي قدرتمندتر از Core i7 معرفي نخواهد كرد، هرچند فركانس Core i7 فعلي به 3.33 گيگاهرتز افزايش پيدا خواهد کرد. در سال 2010 اينتل قصد دارد يك پردازنده 6 هسته‌‌اي بسيار قدرتمند با فرايند ساخت 32 نانومتر توليد كند. اين پردازنده نيز مبتني بر سوكت LGA-1366 است. بنابراين مي‌توان اين طور حدس زد كه اينتل قصد دارد پردازنده‌هاي حرفه‌ا‌ي خود را مبتني بر اين سوكت معرفي كند و اگر شما نيز قصد داريد در آينده يكي از محصولات حرفه‌ا‌ي اينتل را تهيه كنيد، لازم است سيستمي مبتني بر اين پلت‌فرم خريداري نماييد.
امسال هيچ پردازنده‌اي قوي‌تر از پردازنده‌هاي i7 فعلي معرفي نخواهد شد و پردازنده‌هاي مبتني بر هسته Lynnfield كه در نيمه دوم امسال عرضه مي‌شوند، كارايي در سطح i7هاي فعلي خواهند داشت، با اين تفاوت كه قيمت آنها بسيار مناسب‌تر خواهد بود. پردازنده‌ چهار هسته‌ا‌ي مبتني بر Lynnfield در حداكثر فركانس 3 گيگاهرتز معرفي خواهد شد و تنها تفاوت عمده آن نسبت به i7 فعلي، پشتيباني از حافظه‌هاي دو كاناله به جاي سه كاناله است. بررسي‌ پردازنده‌هاي Core i7‌ فعلي نشان مي‌دهد كه اين محصول تفاوت كارايي چنداني بين وضعيت دو كاناله و سه كاناله حافظه نخواهد داشت. بنابراين اگر قصد خريد يك سيستم حرفه‌اي را داريد و در خريد خود نيز عجله‌اي نداريد، تا معرفي پردازنده 6 هسته‌اي اينتل در سال آينده صبر كنيد و اگر قصد خريد يك سيستم سطح متوسط را داريد، تا زمان عرضه Lynnfield صبر كنيد. كارايي اين محصول در سطح پردازنده‌هاي Core i7 فعلي خواهد بود، اما از نظر قيمت در حدود 100 الي 150 هزار تومان از آنها ارزان‌تر است.
در بخش كامپيوترهاي همراه، اينتل قصد دارد اواخر امسال يا ابتداي سال آينده، هسته Clarkdale را معرفي كند. يك پردازنده 2 هسته‌اي با قابليت پردازش چهار Thread به طور همزمان كه با توجه به فرايند ساخت 32 نانومتري، مصرف توان بسيار كمي خواهد داشت. فركانس و TDP اين محصول مشابه محصولات امروزي است، اما قيمت بسيار پايين‌تري خواهد داشت. اگر قصد خريد نوت‌بوك را داريد، توصيه مي‌كنيم تا زمان عرضه Clarkdale صبر كنيد.