Intels "Penryn" mit mehr Cache und neuartigen Transistoren

45-Nanometer-Prozess bringt Gates aus Metall statt Silizium. Die "größte Veränderung in der Transistor-Technik seit den 60er-Jahren" feiert Intel mit seinem jetzt vorgestellten Verfahren für die Herstellung von Prozessoren in 45 Nanometern Strukturbreite. Neue Materialien sollen für die Core-2-Prozessoren ab Mitte 2007 größere Caches und mehr Takt bringen.

27. Januar 2007 um 06:00 Uhr / Nico Ernst

Intel schlägt regelmäßig viel PR aus seiner weltweit führenden Prozessor-Fertigung, diesmal nahmen die Entwickler aber reichlich oft Worte wie "Durchbruch" in den Mund. Im Rahmen einer Telefonkonferenz erklärte Mark Bohr, Intels Leiter der Abteilung für Halbleiterfertigung und als "Senior Fellow" einer der Vordenker des Konzerns, wie die kommenden Prozessoren mit dem bisher als "Penryn" bekannten Kern hergestellt werden.

Dass Intel mit Penryn bereits Mitte 2007 von den bisher 65 Nanometern Strukturbreite der Core-2-Prozessoren zu 45 Nanometern wechseln will, hatte das Unternehmen bereits im Januar 2006 angekündigt . Noch nicht bekannt war bisher, wie Intel bei den feinen Strukturen das Problem der Leckströme – eine der Achillesfersen des Pentium 4 – und höhere Schaltgeschwindigkeiten bei weniger Spannung in den Griff bekommen will.

Die Lösung steckt in zwei Design-Neuheiten der Transistoren: So ist zum einen der eigentliche "Schalter", das Gate, nicht mehr aus Polysilizium, sondern aus einem nicht näher bezeichneten Metall. Intel will hier Schaltgeschwindigkeiten von 300 Milliarden Zustandswechseln pro Sekunde erreichen, was etwa 20 Prozent schneller als bei bisherigen CPU-Transistoren ist. Diese Angabe ist jedoch nicht mit dem internen Prozessortakt zu verwechseln. Dennoch erwartet Intel von seinem 45-Nanometer-Prozess höhere Takte, und, wie man auf Nachfragen von Golem.de erklärte, auch größere Caches für Penryn und Konsorten. Vermutlich werden die größeren L2-Caches wie bei bisherigen Intel-Generationen zunächst bei den Xeons Einzug halten.

Gerade im Server-Umfeld ist aber der Stromverbrauch durch die ständig steigende Dichte an Prozessoren pro Rack immer wichtiger geworden, so dass Intel auch hier angesetzt hat. Als Isolator am Boden des Transistors kommt beim 45-Nanometer-Verfahren ein so genanntes "High-k-Dielektrikum" zum Einsatz. Auch hier spielt Metall eine Rolle, in diesem Fall das Element Hafnium. Bisher wird hier vor allem Silizium-Dioxid zur Isolation eingesetzt, weil es sich auf der Silizium-Oberfläche recht einfach herstellen lässt.

Dank der Hafnium-Verbindung sollen sich aber gegenüber den bisherigen Dielektrika die Leckstöme um den Faktor 10 reduzieren lassen. Wegen dieser großen Verbesserung wollte Intel auch auf Nachfrage die Art des Hafnium-Einsatzes nicht angeben. Man habe sie durch zahlreiche Patente geschützt und obendrein gebe es hunderte von Möglichkeiten, einen Hafnium-Isolator zu bauen, erklärte Intels Halbleiter-Vize Steve Smith. Das neue Dielektrikum ist für einen 45-Nanometer aber nicht nur elegant, sondern auch notwendig. Das bisherige Gate-Oxid bestand auch bei 65 Nanometern nur aus wenigen Atomlagen und beim nebenstehenden Querschnitt können durch einen 45-Nanometer-Transistor sogar im Silizium-Substrat die einzelnen Atome gesehen werden.

Die Kombination aus Metall-Gate und Hafnium-Isolator beschreibt Intel-Mitbegründer Gordon Moore – bekannt durch sein " Moores Law " – dennoch als "größte Veränderung in der Transistor-Technik seit der Einführung von MOS-Transistoren aus Polysilizium in den späten 1960er-Jahren" . Zwar sind derartige High-k-Materialien in der Forschung schon länger bekannt, Intel will sie jedoch erstmals in großen Mengen in einem Prozessor verbauen.

Dazu stehen zunächst mit der Fab "D1D" im US-Bundesstaat Oregon und der "Fab 32" in Arizona zwei Halbleiterwerke bereit, in denen Intel in der zweiten Hälfte des Jahres 2007 die Serienproduktion von 45-Nanometer-Chips aufnehmen will. 2008 soll dann noch die "Fab 28" in Israel dazukommen. Bereits 2009 will Intel dann laut seiner Roadmap – während parallel noch 45 Nanometer aktuell sind – Prozessoren in 32 Nanometern Strukturbreite herstellen. Spätestens für den nächsten Schritt mit 22 Nanometern sind dann aber radikal neue Belichtungsverfahren mittels Röntgen nötig. Diese weitere Verkleinerung der Strukturbreite dauert auch bei Intel folglich noch bis 2011.

Sehr viel näher liegt aber der Penryn. Wie Steve Smith gegenüber Golem.de erklärte, hat Intel bereits fünf verschiedene Prozessoren mit diesem Kern als Prototypen lauffähig hergestellt. Sie sollen als Dual- und Quad-Cores auf den Markt kommen. Dabei sind jedoch noch keine vier Kerne auf einem "monolithischen Die" geplant, wie dies AMD für seinen " Barcelona " vorgesehen hat. Intel beharrt darauf, dass sein Multichip-Design mit zwei Dual-Core-Dies in einem Gehäuse billiger herzustellen ist.

Zwar kostet der FSB, über den alle vier Cores angesprochen werden müssen, dabei etwas Leistung, dies will Intel aber über größere Caches abfangen. In den Unterlagen zur 45-Nanometer-Vorstellung finden sich auch Angaben zur Transistorzahl: 410 Millionen für Dual-Cores, 820 für Quad-Cores. Dies dürfte einer Verdopplung auf 8 MByte pro Die entsprechen, gegenüber den bisher 4 MByte für den "Conroe"-Kern des Core 2 Duo. Damit werden die Chips dann nicht sparsamer, aber auch nicht stromhungriger als bisherige Prozessoren. Laut Steve Smith peilt man weiterhin 35 oder 65 Watt für Desktop-CPUs an, und 80 bis 120 Watt bei Server-Prozessoren. Wie sparsam die neuen mobilen Penryns werden sollen, verriet Intel noch nicht. Fest steht aber, dass Penryn bereits die Befehlssatz-Erweiterung SSE4 mitbringen wird.