Fertigungsmeister Intel Weltweit erste FinFET-Transistoren in Massenfertigung im neuen 22-nm-Prozess

Geforscht an den energiesparenden und leistungssteigernden FinFET-Transistoren haben schon seit 2002 alle namhaften Chip-Hersteller, in die Massenproduktion überführen konnte sie bislang keiner - bis heute. Intel kündigte nunmehr an, in seiner neuen 22-nm-Prozessgeneration Ivy-Bridge TriGate genannte FinFETs zum Einsatz zu bringen, die sich hinsichtlich Rechenleistung/W für das ARM-Universum zu einer echten Bedrohung entwicklen könnten.

Einmal mehr hat der selbsternannte Fertigungsmeister Intel seinem Ruf alle Ehre gemacht, denn heute erfolgte die Meldung des Jahres, wenn nicht sogar dieser Dekade: Der weltgrößte Chiphersteller hat es tatsächlich geschafft, den FinFET-Transistor, an dem man seit fast 10 Jahren geforscht hat, in die Massenproduktion zu überführen. Dies bedeutet, dass es in der neuen 22-nm-Generation Ivy Bridge, die Ende 2011 eingeführt wird, keine planaren Transistoren mehr geben wird, wie wir sie seit Anfang der Chipfertigung kennen.

Auch die weltgrößte Foundry TSMC und andere arbeiten seit langen an FinFETs, niemand hat jedoch bislang erklärt, diese vor der 14-nm-Generation einsatzbereit zu haben, was Intel einen zeitlichen Vorsprung von mindestens 2  Jahren, wenn nicht 3 Jahren vor TSMC und Co. gibt. Diese Nachricht ist nicht nur katastrophal für x86-Prozessor-Konkurrent AMD, das von Globalfoundries abhängig ist, sondern auch für das gesamte ARM-Ecosystem, denn mit FinFET-Atom-Prozessoren in 22-nm-Fertigung dürfte es Intel tatsächlich schaffen, den auf Grund der Komplexität der x86-Architektur als fast uneinholbar erscheinenden Vorsprung der ARM-Architektur in Bezug auf eine geringe Leistungsaufnahme und Rechenleistung/W aufzuholen und damit als reale Alternative für Tablet- und Smartphone-Hersteller in Erscheinung zu treten.

Ein von Intel TriGate genannter FinFET ist ein Multi-Gate Feldeffekttransistor, dessen Ladungsträgerkanal beidseitig vom Gate umgeben ist. Dadurch können die Gate-Elektroden besser auf den Ladungsträgerkanal einwirken und der FET kann schneller schalten.  Intel wird mehrere Typen von TriGate-Transtoren bauen, die entweder in Richtung Energiesparen oder höhere Rechenleistung optimiert werden. In der Bilderstrecke sind die physikalischen Vorteile der FinFETs gegenüber den Planar-Transitoren erläutert. Das traditionelle „flache“ zwei-dimensionale Gate wird durch einen dünnen drei-dimensionalen “Grat” ersetzt, der sich vertikal vom Siliziumsubstrat erhebt. Das Gate der 2D-Planar-Transistoren wird also in die dritte Dimension erweitert und umschließt auch auf den beiden Seiten diesen Grat, was eine bessere Kontrolle des Stromflusses ermöglicht. Der Strom fliesst so besser, wenn der Transistor eingeschaltet ist (für mehr Rechenleistung) und es gibt weniger Verluste, wenn der Transistor ausgeschaltet ist (um Energie zu sparen). Durch den sehr dünnen Grat kann der Transistor schneller als bisher zwischen diesen beiden Zuständen wechseln (wieder für mehr Rechenleistung).

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Intels 22-nm-TriGate-FinFET-Transistoren

Nach fast 10 Jahren Forschung hat es Intel im Gegensatz zur Konkurrenz geschafft, FinFETs reif für die Massenproduktion zu machen.

Da diese Grate senkrecht in die Höhe zeigen, können die Transistoren enger zusammengefügt werden. Für die kommenden Generationen haben Entwickler laut Intel nauch die Möglichkeit, die Höhe der Grate zu steigern und damit noch höhere Rechenleistung und Energieersparnis zu ermöglichen.

Während für SRAMs z.B. somit die Versorgungsspannung abgesenkt werden kann, können für Core und andere Logikblöcke Transitoren für verringerte Leckströme oder höhere Rechenlesitung verwendet werden. Bei gleicher Versorgungs- und Schwellenspannung sinken die Leckströme z.B. um Faktor 10 ab, dank vollständiger Verarmung von Ladungsträgern in der Schicht unter dem Isolator. Senkt man dagegen die Schwellenspannung und Versorgungsspannung ab, sinkt die Leistungsaufnahme im aktiven Modus um 50 %.

Konkret ergeben sich im Vergleich zur aktuellen 32-nm-Generation folgende Verbesserungen:  Die TriGate-Transitoren schalten je nach Versorgungsspannung 18-37 % schneller (je geringer die Spannung, desto größer die Verbesserung), die Leistungsaufnahme im aktiven Modus sinkt um 50 %.  Ein Schrumpfen von 32 nm auf 22 nm mit Einsatz von herkömmlichen Planar-Transitoren hätte laut Intel-Fellow Mark Bohr „nur“ zu einer Leistungssteigerung von 20 % geführt.

Ansonsten ist bei Ivy Bridge vieles beim Alten geblieben: Nachwievor setzt Intel auf High-K/Metal-Gate mit dem Gate-Last-Ansatz, auch die Anzahl der Metallschichten ist gleich geblieben.  Zusätzliche Masken werden nicht benötigt. Die Ausbeute soll gegenüber den Chips mit Planar-Transitoren nicht absinken, ein Problem, mit dem die Konkurrenz noch heftig kämpft. Die TriGate-Chips sollen bis 14 nm in dieser Form runterskalierbar sein, die Transistordichte wird sich von 32 nm auf 22 nm verdoppeln. In der Fertigung gibt Intel einen Mehrpreis von 2-3 % gegenüber Planar-Transitoren an. Mit der Erhöhung der Anzahl der Fins kann zudem der Elektronenfluss weiter erhöht werden (siehe Bilderstrecke), was zu einer zusätzlichen Leistungssteigerung führt.

Abgesehen von den PC- und Server-Prozessoren, die Anfang 2012 in Produkten erscheinen werden (die Massenproduktion soll Ende des Jahres in Oregon, Arizona und Israel starten, ein Wafer wurde kurz gezeigt,  auch lauffähige Engineering Samples hatte man dabei, zudem wurde bekannt, dass Intel bei der Firma Applied Materials, die Produktionsanlagen für die Chip-Fertigung liefert, Geräte im Wert von knapp fünf Milliarden Dollar bestellt hat) wird es ja wie auf dem IDF 2011 in Peking angekündigt 2013 erste Atom-Prozessoren in 22-nm-Technologie geben, die dann im Bereich der mobilen Geräte mit Dual- und Quad-Core-SoCs mit ARMs Cortex-A9 bzw. Cortex-A15 in Wettbewerb treten werden. Laut Intel-Executive-Vice-President Dadi Perlmutter hat man bei Intel interne Benchmarks durchgeführt, die gezeigt haben sollen, dass man mit FinFETs „highly competitive“ bezüglich Kosten, Leistungsaufnahme und Rechenleistung sein wird.