Intel Core i7 3770K - Ivy Bridge im ausführlichen Test

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Die neue 22-nm-Fertigung


Neben den Verbesserungen rund um die integrierte Grafikeinheit ist der Umstieg auf die neue 22-nm-Fertigung sicherlich die bedeutendste Veränderung, die mit "Ivy Bridge" Einzug hält. Damit die neue Technologie an die Erfolge der sehr guten 45- und 32-nm-Herstellungsverfahren anknüpfen kann, greift Intel tief in die Trickkiste und führt als erster Hersteller 3D-Transistoren mit einer Tri-Gate-Struktur für die Massenfertigung ein. Dadurch will Intel eine reduzierte Leistungsaufnahme von bis zu 50 Prozent bei gleichzeitig gesteigerter Performance von 18 bis 37 Prozent erreichen.

Grundsätzlich kann ein Transistor stark vereinfacht als ein Schalter betrachtet werden. Dieser kann dabei eine elektrische Verbindung (den Kanal) zwischen zwei Punkten (Source und Drain) herstellen oder diese unterbrechen. Ob der Schalter geschlossen oder offen ist – also ob ein Leitungskanal zwischen Source und Drain vorhanden ist, kann dabei über eine am Gate anliegende Spannung gesteuert werden. Ist diese größer als eine gewisse Schwellspannung, ist der Kanal ausgebildet (der Schalter also geschlossen), ansonsten ist kein Kanal vorhanden (der Schalter ist offen). Eine anschauliche und einfache Erläuterung bietet auch ein Video bei Youtube.


Erklärung von Intel zur Funktionsweise von Transistoren

Wie die Bezeichnung schon verrät, handelt es sich bei neuen Transistoren, um dreidimensionale Gebilde. Source und Drain "liegen" dabei nicht mehr nur noch im Substrat-Bereich (Silizium), sondern ragen über diesen heraus. Dadurch ergibt sich, dass anders als bei planare Transistoren, die nur eine Inversionsregion und damit nur einen Leitungskanal besitzen, die 3D-Transistoren über drei verbundene Inversionsregionen verfügen. Diese werden durch das umliegende Gate erzeugt, weshalb die 3D-Transistoren den Beinamen Tri-Gate besitzen. Es handelt sich bei dem Gate im Übrigen nach wie vor um ein Metall-Gate mit zugehörigem High-K-Dielektrikum.

Bild: Intel Core i7 3770K – Ivy Bridge im ausführlichen Test
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Durch diesen Schritt wird der Kanal für die Ladungsträger im Transistor "größer" im Vergleich zu einem planaren Transistor, so dass mehr Ladungsträger durch den Kanal gelangen können. Bei gleicher Spannung ist damit ein größerer Stromfluss möglich. Darüber hinaus ist es durch diesen Schritt möglich, die 3D-Transistoren "dünner" zu gestalten, als gewöhnliche planare Transistoren. Statt Breite nutzt man nun schließlich die Höhe aus, um den Kanal zu vergrößern. Dies erlaubt laut Intel eine verdoppelte Packdichte.

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Zusammen mit dem Umstieg auf 3D-Tri-Gate-Transistoren will Intel außerdem die störende Raumladungszone (Depletion Region) um Source, Drain und Kanal eliminieren. Diese stört, da durch die dort wirkenden Kräfte die Ladungsträger im Kanal nicht nur von Source nach Drain bewegt werden sondern auch ins Substrat oder Richtung Gate abgelenkt werden können. Dies kann auch durch die Verwendung von einer "Silicon on Insulator" (SOI) Technologie erreicht werden, doch diese erhöht laut Intel die Kosten um 10 Prozent während die 3D-Technik die Fertigungskosten gegenüber einem planaren Transistor mit Raumladungszonen nur um 2 bis 3 Prozent steigert.

Bild: Intel Core i7 3770K – Ivy Bridge im ausführlichen Test
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Durch die genannten Neuerungen ergeben sich im Wesentlichen zwei Möglichkeiten. So kann man die Schwellspannung (Spannung ab welcher sich der Kanal im Transistor bildet; Grenze zwischen "an" und "aus") im Vergleich zu planaren Transistoren unverändert lassen. Durch die eliminierten Raumladungszonen sinken dann die Leckströme im Sub-Schwellspannungsbetrieb erheblich, was den Energieverbrauch deutlich reduziert. Einfach formuliert heißt dies, dass die Leckströme kleiner werden, wenn der Transistor sperrt (kein Kanal vorhanden).

Alternativ kann man jedoch auch die Schwellspannung reduzieren, so dass der Kanal bereits bei kleineren Gate-Spannungen (Versorgungsspannungen) ausgebildet wird (Transistor "leitet" früher). Dadurch lässt sich im Vergleich zu einem planaren Transistor entweder die Schaltgeschwindigkeit deutlich steigern (bei gleichbleibender Gate-Spannung) oder die Energieverbrauch bei gleicher Schaltgeschwindigkeit zu reduzieren, in dem man die Versorgungsspannung absenkt.

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Alles in allem soll es mit den neuen 3D-Transistoren mit 22-nm-Strukturbreiten laut Intel möglich sein die Versorgungsspannung auf 0.8 Volt statt 1 Volt bei der aktuellen 32-nm-Technologie abzusenken und dabei die gleichen Taktfrequenzen zu erreichen. Intel spricht dabei davon, dass durch diesen Schritt der Energieverbrauch um mehr als 50 Prozent gesenkt werden kann. Ebenso ist es jedoch auch möglich, die Schaltzeiten der Transistoren bei gleichbleibender Spannung deutlich zu verbessern, wobei hier je nach Spannung zwischen 18 und 37 Prozent an Performance-Steigerungen möglich sein sollen.

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Die bei unserem Exemplar des Core i7 3770K gemessenen Versorgungsspannungen belegen dabei Intels Prognosen. So lag die Versorgungsspannung für die Kerne unter Last bei nur noch 1 Volt während bei "Sandy Bridge" 1,15 bis 1,2 Volt üblich waren bzw. sind. Ob sich diese Reduktion auch im Verbrauch niederschlägt ist jedoch ein ganz anderes Thema, welches wir später noch im Detail aufgreifen werden.