Mestre Piropo relatou há poucos tempo atrás o efeito “O Tic-Toc da Intel” observado nas inovações das linhas de produtos da empresa. Este assunto fascinante me motivou a analisar alguns aspectos dessa evolução. A escalada da miniaturização é imposta pela Lei de Moore, que antes era observada e hoje é fator motivador, objetivo a ser […]
Mestre Piropo relatou há poucos tempo atrás o efeito “O Tic-Toc da Intel” observado nas inovações das linhas de produtos da empresa. Este assunto fascinante me motivou a analisar alguns aspectos dessa evolução. A escalada da miniaturização é imposta pela Lei de Moore, que antes era observada e hoje é fator motivador, objetivo a ser perseguido pelas cabeças pensantes da Intel. Está nos planos da Intel chegar ao processo produtivo de 22nm em escala comercial em 2011 (vide tabela abaixo). Isso por si só é um salto inimaginável por causa dos obstáculos físicos a serem transpostos. Mas para tanto outros dois passos estão no caminho: o 32nm em 2009 e os 45nm que estão chegando ao mercado agora em 2007.
Por coincidência o ano de 2007 marca o 60º aniversário da criação do primeiro transistor, feito no Bell Labs em 1947.Em 1953 surgiu a primeira aplicação prática (produto) utilizando transistores, um aparelho auditivo e em 1954 foi produzido o primeiro rádio que usava 4 transistores feitos de germânio. Em 1971 a INTEL lançou o primeiro processador, o 4004, cuja fabricação era em processo de 10 micron. Só para comparar com a tecnologia atual, significa quase 230 vezes maior (45nm versus 10.000nm = 10 micron).
A Intel obteve um significante avanço na tecnologia de transistores ao desenvolver o metal “high-k” para seu processo de 45 nm que reduz significativamente vazamento (perda) de corrente. O tal material “high-k” pode substituir o dióxido de silício como porta dielétrica elemento básico de funcionamento de um transistor (vide Piropo “Lei de Moore: até quando?-VII Transistores Tri-Gate” – capítulo único, versículos – todos). Ele possui boas propriedades isolantes e cria um efeito de alto-campo (por isso o nome high-k) entre a porta e o canal. Ambas são propriedades desejáveis para um transistor de alto desempenho. O “k” (a letra grega kappa) é um termo da engenharia para a habilidade do material de manter uma carga elétrica. Pense em uma esponja que pode reter bastante água. A madeira também retém água, mas não tanto como a esponja. O vidro não retém água alguma. Da mesma maneira, alguns materiais podem armazenar uma carga melhor do que outros, e por isso possuem um maior valor “k”. Assim os materiais high-k podem ser mais grossos do que o dióxido de silício-ao mesmo tempo em que possuem as mesmas propriedades desejáveis-o que reduz muito a dissipação de corrente.
Quando se fala em processadores a tal “dissipação” é de fundamental importância. É a corrente que flui através da porta dielétrica. Em uma situação ideal, a porta dielétrica age como um isolante perfeito, mas como ela é feita cada vez mais fina (no processo de 65nm da Intel, ela possui um espessura de apenas 5 camadas atômicas) a corrente “vaza” através dela. Disso decorrem resultados indesejáveis. O transistor não se comporta exatamente da maneira que deveria, e consome mais corrente (gasta mais energia). Como se fosse o “pinga-pinga” de uma torneira com vazamento.
Ao conseguir produzir processadores com tecnologia de 45nm, isso permite que o circuito dos chips tenha um melhor desempenho por watt do que os processos anteriores (65nm e 90nm). Autilização do processo de 45nm permite que os chips sejam fabricados com até o dobro de transistores em uma área determinada. Permite uma melhora de até 20% na velocidade do transistor e uma redução de mais de cinco vezes na dissipação de energia. A Intel utilizará o processo tecnológico de 45nm para fabricar a sua próxima geração das famílias dos processadores Core 2 Duo (Penryn) e Intel Xeon.
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Ao observar a figura acima pode ser percebida a sutil mas relevante diferença. A camada de ligação no primeiro caso é feita de óxido e silício enquanto no material “high-k” é usado na implementação mais nova. O metal háfnio é usado na formulação do “high-k”. Este metal, pouco lembrado e pouco conhecido é um daqueles elementos perdidos na tabela periódica, entre o Lantânio e o Tantálio, é usado por causa de suas propriedades peculiares. O Háfnio tem alta capacidade de absorção de nêutrons e por isso mesmo é usado em barras de controle de reatores nucleares, presentes em submarinos atômicos. A composição da liga contendo Hafnio é um segredo muito bem guardado pela Intel.
Gordon Moore, co-fundador da Intel e autor da celebre lei que leva o seu nome, considera o desenvolvimento e utilização deste tipo de material a maior de todasas mudanças na tecnologia dos transistores desde a introdução dos “gates” de polisilício MOS no final da década de 60.
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O gráfico acima mostra que se a tendência se repetir nos 32 nm, a Intel JÁ DEVE TER protótipos em teste. Só que a maturação do processo de fabricação demora cerca de dois anos para que existam os processadores em uma escala comercial e com níveis de falhas e qualidades adequados. É estimulante saber que isso já está em franco desenvolvimento em algum LAB da Intel.
A geração PENRYN de processadores que está chegando agora, usa a tecnologia de 45nm que se reflete na nova geração de Core 2 Duo, contendo 410 milhões de transistores e 820 milhões no caso do Quad Core. A introdução de novos materiais (“high-k”) trouxe para a fabricação de processadores o pulo tecnológico que viabilizou este processo (45nm) e abriu as portas para a geração de 32nm (prevista para 2009). Provavelmente ainda com esta tecnologia, explorada em seus limites veremos o 32nm se concretizar em novos produtos cada vez mais multi-core (quadcore, octocore). Mas a chegada aos 22nm é um árduo pulo!! Não só pelos limites físicos sendo atingidos, algo tão decantado pelos analistas no mundo todo, mas também pela questionável escalada de “cores”. Minha opinião pessoal é que a escalada do multi-core também tem um limite. Assim como a escalada do Ghz, que parou praticamente nos 3.6 Ghz. Mudanças de arquitetura e eficiência foram os caminhos adotados pelos fabricantes de processadores.
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Essa mudança de arquitetura resultou nos projetos modernos e avançados tanto da Intel como da AMD. Mas vejam que de novo vamos esbarrar no limite dos Ghz (já há processadores da geração Core 2 Duo além de 3 Ghz-os extremos) e já existem quadcores com tendências a chegarmos nos oito núcleos em um tempo relativamente curto. Mas e depois? O aumento de “cores” traz a partir de certo ponto ineficiências na coordenação das tarefas (threads) pelo processador e pelo sistema operacional. Chegar aos 32 nm comercialmente será possível, mas difícil. Atingir os 22nm será um desafio muito grande. Como seguir evoluindo os processadores? Vou fazer aqui um comentário DE LEIGO, como um EXEMPLO, afinal não entendo NADA de micro-arquitetura de processadores. Vejam acima a foto do PENRYN. Pelo menos METADE do chip, metade dos transistores, são usados em memória cache. É sem dúvida um uso nobre. Mas será que não existe um “pulo do gato”, uma tecnologia escondida ainda na mente dos geniais engenheiros da Intel e AMD que permitam “crescer” os “cores”, trazendo mais poder de processamento, sem onerar o consumo de energia?A AMD há algum tempo colocou o gerenciamento de memória no processador, que se revelou uma bela medida. Processadores da AMD têm caches menores por conta disso.
Soluções de engenharia geniais devem estar a caminho para que o desafio de seguir a escalada de desempenho e miniaturização e a própria Lei de Moore, possam se concretizar. Talvez um prêmio Nobel de Física esteja germinando nos secretos e profícuos centros de pesquisas das empresas que vão fazer tornar realidade essa necessidade inexorável do ser humano, a sede infinita pela performance máxima!
