ترانزیستورهای مسطح و نشت جریان
پیش از آن‌که به سراغ بررسی جنبه‌های طراحی ترانزیستور جدید سه بعدی برویم، اجازه بدهید ابتدا به نحوه کار ترانزیستورهای سنتی نگاهی بیاندازیم. شکل 1 یک ترانزیستور «مسطح» سنتی را نشان می‌دهد، همان نوع ترانزیستوری که برای نخستین‌بار در آغاز عصر ریزتراشه‌ها اختراع شد و تا امروز یکی از عناصر اصلی مدارهای الکترونیکی را تشکیل می‌داده است. این ترانزیستور از سه بخش اصلی تشکیل شده است: منبع (Source)، مسیر تخلیه (Drain) و گیت (Gate). در واقع این شکل یک نوع خاص از ترانزیستورها، یعنی یک MOSFET را نشان می‌دهد، اما اجازه بدهید بیش از حد با جزئیات درگیر نشویم.
شکل 1- یک ترانزیستور مسطح
شاید این ابزار کمی عجیب به نظر برسد، اما در واقع تنها یک سوییچ الکتریکی است. شما می‌توانید Source و Drain را به‌عنوان دو اتصال سیم‌های یک کلید برق استاندارد در‌نظر بگیرید. اگر یک سیم رسانا را به هر دو اتصال مذکور وصل کنید، یک مدار بسته ایجاد شده و به جریان برق اجازه عبور می‌دهد. زیرلایه (Substrate) ترانزیستور، همانند یک سیم جادویی عمل‌می‌کند که می‌تواند جریان الکتریسیته را از خود عبور دهد یا ندهد. در اینجا، گیت همان سوییچی است که کنترل می‌کند آیا جریان توسط سیم عبور داده خواهد شد یا خیر.
بنابراین، وقتی یک ولتاژ روی صفحه فلزی شکل‌دهنده گیت ترانزیستور اعمال می‌شود، یک نوار باریک از ماده نیمه‌هادی بین Source و Drain (یا همان سیم جادویی ما) از حالت عایق به یک رسانا تغییر پیدا می‌کند. در نتیجه، سوییچ در وضعیت «روشن» قرار گرفته و به جریان اجازه می‌دهد تا از Source به Drain عبور کند. با حذف ولتاژ، جریان نیز قطع می‌شود یا حداقل قرار است که پس از قطع ولتاژ جریانی از این مسیر عبور نکند. در شرایط واقعی، جریان اندکی بهطور دائمی بین Source و Drain وجود دارد. این وضعیت که تحت عنوان «نشت جریان» شناخته می‌شود، نیروی ارزشمند برق را هدر داده و با کوچک‌تر شدن اندازه ترانزیستورها یا افزایش تعداد آن‌ها تشدید می‌شود.
پس بهطور خلاصه می‌توان گفت، بر اساس ایده ابتدایی، ترانزیستور یک سوییچ است که عملکرد آن به وجود مقدار کمی ماده عایق میان دو «الکترود» که بهطور جادویی هنگام اعمال ولتاژ به یک رسانا تبدیل شده و در نتیجه مدار را کامل می‌کند، بستگی دارد. حال اجازه بدهید به شکل 2 نگاهی بیاندازیم که تصویر متفاوتی از همان سوژه را نشان می‌دهد. نوار آبی رنگ کوچک که تحت عنوان لایه وارونگی (Inversion Layer) شناخته می‌شود، ناحیه‌ای از ماده در نزدیکی گیت است که وقتی در معرض ولتاژ قرار می‌گیرد، به یک رسانای الکتریکی تبدیل می‌شود. باز هم گیت یک صفحه فلزی کوچک است و وقتی ولتاژ روی آن اعمال می‌شود، لایه ماده نیم‌هادی که درست در زیر آن قرار گرفته به یک رسانا تبدیل می‌شود. حالا با کوچک‌تر شدن گیت‌ها در ترانزیستور، این نوار کوچک آبی رنگ ماده رسانا نیز کوچک‌تر می‌شود. طبیعی است که با کوچک‌تر شدن این نوار، جریان کمتری می‌تواند از آن عبور کند. وقتی گیت و لایه وارونگی واقعاً کوچک می‌شوند (مانند وضعیتی که در اندازه‌های 22 نانومتری پیدا می‌کنند)، در وضعیتی که سوییچ روشن باشد لایه تنها می‌تواند به مقدار بسیار اندکی از جریان الکترون‌ها اجازه عبور دهد. اما وقتی سوییچ در وضعیت خاموش است نیز هنوز یک نشت جریان کوچک در این مسیر وجود دارد.
شکل 2
نتیجه نهایی این است که سوییچ در وضعیت روشن و خاموش خود تقریباً یکسان به‌نظر می‌رسد. این وضعیت به هیچ‌وجه خوب نیست، زیرا تراشه تنها با تغییر حالت سوییچ به روشن و خاموش است که می‌تواند کدهای باینری صفر و یک را ارسال کند. دو راه‌حل کلی برای حل این مشکل وجود دارد: نخست کاهش نشت جریان و دوم عبور دادن الکترون‌های بیشتر از نوار رسانای آبی رنگ. طراحی جدید اینتل، کمی از هر دو کار را انجام می‌دهد. با این‌اوصاف، ما روی گزینه دوم تمرکز خواهیم کرد، زیرا بخش عمده‌ای از ویژگی‌های جدید و مهم پیشرفت اخیر اینتل را تشریح می‌کند.
دو روش برای عبور الکترون‌های بیشتر از نوار باریک آبی وجود دارد. نخستین و آشکارترین راه‌حل این است که مقدار ولتاژی را که روی گیت اعمال می‌شود، افزایش دهیم تا لایه وارونگی خاصیت رسانایی الکتریکی بیشتری پیدا کند. با این‌حال، راه‌حل مذکور چندان ایده‌آل نیست، زیرا ولتاژ بیشتر به معنای افزایش مصرف برق خواهد بود. روش دیگر که راه‌حل بهتری به‌شمار می‌آید، این است که راهی پیدا کنیم تا نوار آبی بزرگ‌تر شود. یک نوار بزرگ‌تر می‌تواند جریان الکتریکی بیشتری را از خود عبور دهد و در عین حال این کار را با ولتاژ کمتری انجام می‌دهد. به‌عبارت دیگر، نیازی نیست ولتاژ اعمال شده روی گیت را به‌منظور ایجاد رسانایی بیشتر در نوار باریک آبی‌رنگ بهطور جدی افزایش دهیم، زیرا خود نوار بزرگ‌تر شده و می‌تواند جریان بیشتر را انتقال دهد. اینتل تصمیم گرفت، از روش دوم استفاده کند و با گسترش گیت در سه بعد، توانست در تلاش خود به موفقیت برسد.
به‌سوی بعد سوم
در ترانزیستور Tri-gate سه‌بعدی که شکل 3 آن را نشان می‌دهد، گیت ناحیه سطح بسیار بزرگ‌تری در تماس با ماده نیمه‌هادی دارد، بنابراین لایه وارونگی آبی بسیار بیشتری برای عبور جریان وجود خواهد داشت. این وضعیت باعث می‌شود، تفاوت بسیار بیشتری بین وضعیت‌های «روشن» و «خاموش» ترانزیستور وجود داشته باشد. به عبارت دیگر، ترانزیستور می‌تواند با سرعت بسیار بیشتری بین دو وضعیت مذکور سوییچ کرده و هنوز یک رشته واضح از صفرها و یک‌ها را تولید کند. در عین حال، اگر شما به تقویت فرکانس کاری تراشه علاقه چندانی نداشته و ترجیح می‌دهید که مصرف برق آن کاهش پیدا کند، می‌توانید از ساختار جدید با اعمال ولتاژ کمتر روی گیت بهره‌برداری کنید. بدون تردید لایه وارونگی مجاور گیت رسانایی کمتری خواهد داشت، اما خود این لایه به‌اندازه کافی بزرگ‌تر شده تا همان مقدار جریان سابق را هنگام روشن بودن سوییچ از خود عبور دهد.بخش میانی که در طراحی جدید برجسته‌شده، تحت عنوان یک «پره» (Fin) شناخته می‌شود. اگر اینتل بخواهد اندازه‌های گیت و لایه وارونگی را بیش از پیش افزایش دهد، روش فوق به این شرکت امکان می‌دهد تا پره‌های متعددی را در زیر یک گیت واحد اضافه کند. به این ترتیب، کارایی یا بازدهی مصرف برق ترانزیستور به بهای چگالی آن بهبود پیدا خواهد کرد.
شکل 3- طراحی کلی ترانزیستور سه بعدی Trigate
نتایج
در نهایت، مزیت توسعه گیت به بعد سوم این است که شما با راحتی بسیار بیشتری می‌توانید فرکانس کاری تراشه را افزایش یا مصرف برق آن را کاهش دهید. البته، بدیهی است که امکان دستیابی به ترکیبی از هر دو نیز وجود خواهد داشت. این رابطه به‌صورت نموداری در شکل 4 نشان داده شده است. اگر در این نمودار «Gate Delay» را به‌عنوان معکوس سرعت کلاک پردازنده در نظر‌بگیرید، می‌توانید وضعیت کلی نمودار را بهطور کامل درک کنید. اینتل مدعی است، ترانزیستورهای Tri-gate با فناوری تولید22 نانومتری بین 18 تا 37 درصد سریع‌تر از ترانزیستورهای مسطح 32 نانومتری سوییچ می‌کنند (بر حسب سطح ولتاژ). در عین حال، اگر از جنبه ولتاژ به موضوع نگاه کنیم، طراحی جدید می‌تواند مصرف برق را تا پنجاه درصد کاهش دهد.
شکل 4- رابط بین کارایی و مصرف برق
این موارد، جهش‌های قابل توجهی در عملکرد و بازدهی را به همراه دارند و اینتل را تا حدود زیادی به تحقق رؤیای استفاده از پردازنده‌های 22 نانومتری x86 در تلفن‌های هوشمند نزدیک خواهند کرد. اینتل یک‌بار دیگر ثابت کرد، شهامت و جسارت این شرکت در زمینه تولید نیمه‌هادی‌ها هنوز در این صنعت بی‌نظیر است. هر تصوری که درباره رقابت Atom در برابر ARM در ذهن دارید، باید بپذیرید که این یک پیشرفت مهم است و اینتل را در رقابت بسیار جلوتر از جایگاهی که تاکنون داشته قرار می‌دهد.
پردازنده 22 نانومتری آتی اینتل، یعنی Ivy Bridge از این فناوری جدید استفاده خواهد کرد و این موضوع درباره یک نسخه کم‌مصرف از پردازنده‌های Atom اینتل نیز صادق‌خواهد بود. این روش می‌تواند بازدهی مصرف برق پردازنده‌های Atom را بهطور چشم‌گیری بهبود بخشد. البته ما نمی‌خواهیم وارد این بحث شویم که آیا فناوری جدید در نهایت می‌تواند Atom را در حوزه مصرف برق واقعی وارد قلمروی ARM کند یا خیر، اما تردیدی وجود ندارد که به این محدوده بسیار نزدیک خواهد شد.
