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Questo non vuol dire che non si siano avvicinati. Quando Intel passò dal processo produttivo a 90 nm a quello a 65 nm nel 2005, accadde qualcosa di molto insolito. “Inizialmente, la tecnologia a 65 nm non aveva alcun vantaggio [in termini di prestazioni] rispetto a 90 nm”, ha ammesso Maiz.
Nonostante il numero raddoppiato di transistor sul processore, non si è verificato alcun miglioramento in termini di prestazioni perché i transistor perdevano troppa energia.
I transistor moderni sono essenzialmente dei semplici interruttori, in cui la corrente scorre tra il source e il drain quando l'elettrodo di gate al centro raggiunge una certa tensione. Nel 2005, i dielettrici del gate – l'isolamento sul fondo del gate – sono stati realizzati in dissoide di silicio (SiO2).
Man mano che i transistor si erano ridotti nel corso degli anni, anche il sottile strato di biossido di silicio sul gate si era ridotto, al punto da raggiungere uno spessore di solo pochi strati atomici. Il materiale era stato allungato così sottile che la corrente aveva cominciato a fuoriuscire attraverso l'isolamento fino all'elettrodo del cancello, in modo simile a un rubinetto che gocciola. E quando hai a che fare con centinaia di milioni di rubinetti che perdono su un singolo processore, questo diventa un grosso problema.
Intel sapeva di avere un problema molto prima di lanciare i problematici processori a 65 nm nel 2005. Due anni prima l'azienda aveva annunciato la soluzione al problema delle perdite dei cancelli: il cancello in metallo high-k. Ciò vedrebbe la sostituzione del biossido di silicio con un materiale “alto-k” chiamato afnio.
I materiali ad alto valore k come il biossido di afnio, il biossido di zirconio e il biossido di titanio possono trattenere una carica molto maggiore del biossido di silicio, allo stesso modo in cui la spugna può trattenere più acqua del legno.
Problema risolto? Non proprio. L'afnio non funziona bene con il materiale in polisilicio utilizzato per l'elettrodo del gate, costringendo Intel a introdurre anche un nuovo tipo di elettrodo metallico.
I ricercatori Intel, dotati di risorse enormi, hanno impiegato cinque anni per trovare la combinazione perfetta di materiale high-k e metallo elettrodo per i suoi transistor e altri quattro anni di sviluppo prima che fosse pronto per essere introdotto con i primi 45 nm processori nel 2007.
Tuttavia, secondo Maiz, valeva la pena aspettare. "Nei microprocessori di oggi, forse il 20 o il 30% dell'energia viene sprecata", ha affermato. Senza i transistor con gate in metallo ad alto valore K, "su un chip da 45 nm sarebbe stato dal 40 al 50%".
Quando si tenta di ridurre di frazioni di watt il consumo energetico del processore di uno smartphone, ad esempio, il 20-30% di energia risparmiata fa un'enorme differenza.
Silicone scuro
Anche se i produttori hanno risolto il problema dei transistor che perdono, ora devono affrontare una sfida diversa: ce ne sono semplicemente troppi sui processori di prossima generazione. Con Intel e altri che pianificano di passare al processo a 22 nm entro il 2011, il numero di transistor su ciascun processore sta crescendo in modo esponenziale; Il chip di prova da 22 nm di Intel ha 2,3 miliardi di transistor, ad esempio.
