Intel lancia le prime CPU a 45 nm

Santa Clara (USA) – Anticipando di diversi mesi le mosse dei suoi più diretti avversari, inclusi IBM e AMD , ieri Intel ha ufficialmente aperto l’era dei processori con circuiti a 45 nanometri. Lo ha fatto annunciando 15 CPU basate sulla nuova architettura Penryn , di cui tanto si è parlato negli scorsi mesi.

Le nuove CPU sono composte da 14 modelli di Xeon DP della serie 5400 (quad-core) e 5200 (dual-core) dedicati a server e workstation, e da un Core 2 Extreme, il QX9650 , indirizzato invece ai PC desktop di fascia più alta. La maggior parte di questi chip sono già disponibili sul mercato mentre altri, come gli Xeon 5200, lo saranno nelle prossime settimane.

I primi Core 2 Duo e Core 2 Quad basati su Penryn e dedicati al mercato desktop mainstream e notebook, sono invece attesi nel primo trimestre del prossimo anno. I dettagli su questi nuovi modelli, benché non ancora ufficiali, sono trapelati qualche settimana fa.

Insieme ai nuovi Xeon, Intel ha introdotto anche tre nuovi chipset : il 5400 (prima noto come Stoakley ), dedicato all’high-performance computing; il 5100 Memory Controller Hub con il controller ICH-9R I/O ( Cranberry Lake ), dedicato ai server a uno o due processori; e il 3200 ( Garlow ), specificamente progettato per i server entry-level a un solo processore.

Tutti i processori basati su Penryn hanno in comune la nuova tecnologia di processo a 45 nm e l’adozione, per il gate dei transistor, di un nuovo materiale per il dielettrico con una proprietà chiamata alta costante k (high-k) e di una nuova combinazione di materiali metallici per l’elettrodo.

“L’implementazione di materiali ad alta costante k e metallici segna la svolta più significativa nella tecnologia dei transistor dall’introduzione dei transistor MOS con gate in polisilicio alla fine degli anni ’60”, ha dichiarato Gordon Moore, cofondatore di Intel.

I transistor sono minuscoli interruttori che elaborano gli 1 e gli 0 del mondo digitale. Il gate accende e spegne il transistor e il dielettrico di gate è un isolante posto al di sotto che lo separa dal canale in cui fluisce la corrente. La combinazione dei gate metallici e del dielettrico di gate ad alta costante k consente, secondo Intel, lo sviluppo di transistor con una dispersione di corrente molto bassa e prestazioni estremamente elevate.

Come misura di confronto, circa 400 transistor Intel a 45 nm potrebbero comodamente stare sulla superficie di un unico globulo rosso umano . Appena dieci anni fa, la tecnologia di processo allo stato dell’arte era a 250 nm, ossia i transistor avevano dimensioni di circa 5,5 volte più elevate e occupavano un’area 30 volte maggiore.

Nella pratica, il passaggio ai 45 nm e l’adozione dei nuovi materiali ha consentito ad Intel di:
– incrementare la densità dei transistor , che nei modelli quad-core può arrivare fino a 820 milioni;
– ridurre la dimensione del die di silicio di circa il 25%, portandolo a 107 mmq;
– tagliare i consumi energetici fino al 20%;
– incrementare le frequenze di clock e, anche grazie ai miglioramenti apportati da Penryn all’architettura Core di seconda generazione, spingere le performance dei nuovi processori. Per quel che riguarda gli Xeon, queste sono stimate da Intel mediamente del 15-20% superiori a quelle della precedente generazione di chip server.

I tre modelli di Xeon 5200 , con frequenza compresa fra 1,86 GHz e 3,4 GHz, hanno una dimensione della cache di 6 MB ed un thermal design power (TDP) che, nelle due versioni con frequenza sopra ai 3 GHz, è di 80 watt. Tutti i modelli quad-core , incluso il Core 2 Extreme QX9650, dispongono invece di 12 MB di cache ed hanno un TDP che va dagli 80 ai 150 watt. Per le specifiche di ogni singolo processore si veda la tabella pubblicata a fondo articolo.

I nuovi processori supportano le giovani istruzioni multimediali estese SSE4 , in tutto 47, le stesse introdotte da AMD nelle recenti CPU Barcelona : queste, secondo Intel, sono in grado di accelerare grafica e video del 40-60%. Tra i campi applicativi che dovrebbero trarre particolare giovamento dalle SSE4 vi sono il fotoritocco, l’editing e l’authoring video, la riproduzione di film in alta definizione e i giochi.

Penryn apporta migliorie anche alla virtualizzazione , ed in modo particolare al tempo di entrata e uscita delle macchine virtuali.

Pur impiegando circuiti a 45 nm, Penryn rappresenta un semplice aggiornamento dell’attuale architettura Core 2: le novità più importanti sono attese il prossimo anno, con il lancio dell’architettura Nehalem . Similmente all’architettura degli Opteron, i processori basati su Nehalem integreranno sullo stesso package tutti e quattro i core nonché il controller di memoria: queste novità, secondo Intel, miglioreranno la velocità di comunicazione tra ciascun core e tra questi ultimi e la memoria.

Sui futuri chip e architetture di Intel si veda Speciale IDF/ Intel: il futuro di CPU e GPU .

Stando alla famosa Legge di Moore , il numero di transistor in un chip raddoppia all’incirca ogni due anni. Per stare al passo con questa legge, che ormai da decenni scandisce l’evoluzione tecnologica nel campo dei processori, i produttori di chip devono costantemente ridurre le dimensioni dei circuiti e, in particolare, dei transistor. Tuttavia, con i materiali oggi disponibili, la possibilità di ridurre i transistor sta per raggiungere limiti fisici difficilmente superabili : ciò soprattutto a causa del fatto che, mano a mano che le dimensioni raggiungono livelli atomici, i problemi di dissipazione di energia e surriscaldamento diventano sempre più grandi . Ne consegue che l’implementazione di nuovi materiali è essenziale per il futuro della Legge di Moore e per l’economia dell’era dell’informazione.

Per il dielettrico di gate dei transistor si utilizza da oltre 40 anni il diossido di silicio , e questo soprattutto grazie alla sua abbondanza in natura e alla facilità di lavorazione. Con la precedente tecnologia di processo a 65 nm, Intel è riuscita a ridurre il dielettrico di gate di diossido di silicio fino a uno spessore di 1,2 nm, equivalente a cinque strati atomici. La continua riduzione di questo componente ha però portato ad un aumento della dispersione di corrente attraverso il dielettrico di gate, con un conseguente spreco di energia elettrica e un’inutile produzione di calore.

La dispersione dei gate, associata ad un dielettrico di diossido di silicio sempre più sottile, è unanimemente riconosciuta come una delle sfide tecniche più impegnative per la Legge di Moore. Per risolvere questo problema critico, Intel ha sostituito il diossido di silicio con un materiale più spesso, ad alta costante k, basato su afnio : ciò le ha consentito di ridurre la dispersione di corrente dei precedenti transistor di oltre dieci volte.

Poiché il dielettrico di gate ad alta costante k non è compatibile con l’attuale elettrodo di gate di silicio, per i suoi chip a 45 nm Intel è stata costretta a sviluppare nuovi materiali metallici . Anche se gli specifici metalli utilizzati da Intel non sono stati divulgati, l’azienda utilizza una combinazione di materiali diversi per gli elettrodi di gate dei transistor. La combinazione del dielettrico di gate ad alta costante k con il gate metallico per la tecnologia di processo a 45 nm offre, secondo l’azienda, un aumento superiore al 20% nella corrente utile , ossia prestazioni più elevate dei transistor. Allo stesso tempo riduce di più di cinque volte la dispersione di corrente source-drain , migliorando l’efficienza energetica del transistor.

La tecnologia di processo a 45 nm, quella di Intel come le future implementazioni di altri produttori, migliora la densità di circa due volte rispetto alla generazione precedente, consentendo di aumentare il numero complessivo di transistor o di ridurre le dimensioni del processore. Poiché i transistor a 45 nm sono più piccoli rispetto alla generazione precedente, le operazioni di accensione e spegnimento richiedono meno energia: Intel stima questa riduzione in circa il 30 %.

Per la produzione dei suoi nuovi chip impiega anche una tecnologia litografica a secco più evoluta della precedente.

AMD sta lavorando allo sviluppo della propria tecnologia di processo a 45 nm insieme ad IBM , e conta di iniziare ad utilizzarla per la produzione degli Opteron intorno alla metà del prossimo anno.