L'alto

Da sinistra: Ghani, Mistry, Chau e Bohr di Intel con un wafer di microprocessori da 45 nanometri

Mentre leggi questo, due dei nostri stabilimenti più avanzati qui a Intel si stanno preparando per la produzione commerciale degli ultimi microprocessori Core 2, nome in codice Penryn, che inizieranno a uscire dalle linee prima della fine dell'anno. I chip, basati sulla nostra più recente tecnologia di processo CMOS da 45 nanometri, avranno più transistor e funzioneranno più velocemente e con temperature più basse rispetto ai microprocessori fabbricati con la precedente generazione di processo da 65 nm. Per le applicazioni musicali, video e di gioco ad uso intensivo di calcolo, gli utenti vedranno un notevole aumento delle prestazioni rispetto ai migliori chip che utilizzano attualmente.

Uno sviluppo positivo ma non una grande novità, giusto? Dopotutto, la densità dei transistor sui chip è periodicamente raddoppiata, come previsto dalla legge di Moore, da oltre 40 anni. I primi chip Penryn saranno processori dual-core con più di 400 milioni di transistor o processori quad-core con più di 800 milioni di transistor. Si potrebbe pensare che questi chip non rappresentino altro che l'ennesimo punto di controllo nell'inesorabile marcia della Legge di Moore.

Ma ti sbaglieresti. I chip non sarebbero stati possibili senza un importante passo avanti nel modo in cui costruiamo un componente chiave dei transistor infinitesimali su quei chip, chiamato gate stack. Il problema fondamentale che abbiamo dovuto superare è stato che qualche anno fa eravamo a corto di atomi. Letteralmente.

Per mantenere la curva della Legge di Moore, dobbiamo dimezzare le dimensioni dei nostri transistor ogni 24 mesi circa. La fisica impone che le parti più piccole di questi transistor debbano essere ridotte di un fattore 0,7. Ma c'è una parte critica del transistor che abbiamo scoperto non poteva più ridursi. È il sottile strato di isolamento in biossido di silicio (SiO2) che isola elettricamente il gate del transistor dal canale attraverso il quale scorre la corrente quando il transistor è acceso. Quello strato isolante è stato assottigliato e ridotto con ogni nuova generazione, circa dieci volte solo a partire dalla metà degli anni ’90. Due generazioni prima di Penryn, quell'isolamento aveva raggiunto lo spessore di appena cinque atomi.

Non potremmo eliminare neanche un decimo di nanometro in più: un singolo atomo di silicio ha un diametro di 0,26 nm. Ancora più importante, con uno spessore di cinque atomi, l'isolamento era già un problema, poiché sprecava energia lasciando piovere elettroni attraverso di esso. Senza un'innovazione significativa, l'industria dei semiconduttori correva il rischio di incontrare il temuto "showstopper", il tanto atteso problema insormontabile che pone fine all'era della Legge di Moore, caratterizzata da miglioramenti periodici ed esponenziali delle prestazioni di memorie, microprocessori e altri chip, e ai bei tempi che se ne sono andati con esso.

La soluzione a quest’ultima crisi prevedeva l’addensamento dell’isolante con più atomi, ma di tipo diverso, per conferirgli migliori proprietà elettriche. Questo nuovo isolante funziona abbastanza bene da fermare la pioggia di elettroni che risucchia energia e che ha afflitto i chip avanzati negli ultimi quattro anni. Se la Legge di Moore dovesse crollare nel prossimo futuro, non sarà a causa di un isolamento inadeguato del cancello. Il cofondatore di Intel Gordon Moore, famoso per la Legge di Moore, ha definito le modifiche apportate all'introduzione di quest'ultima generazione di chip "il più grande cambiamento nella tecnologia dei transistor" dalla fine degli anni '60.

Per quanto difficile fosse trovare il nuovo isolante, quella era solo metà della battaglia. Lo scopo dell'isolante è separare il gate in silicio del transistor dal resto del dispositivo. Il problema è che il gate in silicio non funzionava con il nuovo materiale isolante. I transistor iniziali realizzati con essi funzionavano peggio dei transistor più vecchi. La risposta è stata quella di aggiungere ancora un altro nuovo materiale al mix, sostituendo il gate in silicio con uno in metallo.

Potrebbe non sembrare un grosso problema cambiare i materiali utilizzati in un transistor, ma lo era. L'industria ha attraversato un grande sconvolgimento diversi anni fa quando è passato dalle interconnessioni in alluminio a quelle in rame e, allo stesso tempo, dal rivestimento SiO2 per tali interconnessioni a dielettrici "low-k" chimicamente simili. E questi cambiamenti non avevano nulla a che fare con il transistor stesso. Un cambiamento fondamentale nella composizione del transistor è praticamente inaudito. La combinazione del cancello e dell'isolante, il gate stack, non è cambiata in modo significativo da quando Moore, Andrew S. Grove e altri la descrissero in questa rivista nell'ottobre del 1969!