Gyártástechnológiai visszatekintés
Jelenleg a számítógépekben használt félvezetők szinte teljes mértékben CMOS technológiára épülnek, de ez nem volt mindig így. A kezdeti idők elektroncsöves gépeit, mint a hetvenéves születésnapját csak napokkal ezelőtt ünneplő ENIAC-ot is ugyanúgy órajel vezérelte, mint a maiakat, így az növelhető is volt. Az akkori 100 kHz-hez képest hatalmas ugrás, 100 MHz a jelenlegi alapórajel, melynek több tízszerese a tényleges működési sebesség. Eltérés viszont, hogy az elektroncsöves, az őket követő bipoláris tranzisztoros, majd TTL integrált áramkörös gépek, az első (még NMOS technológiájú) mikroprocesszoros társaikkal egyetemben akkor is tetemes áramot fogyasztottak volna, ha az órajelet teljesen kikapcsolják.
Az Intel 80286 processzorig használták az NMOS felépítést, az ezt követő chipek már a CMOS valamely régebbi vagy fejlesztett változatát alkalmazzák. A CMOS felépítése olyan, hogy elvi szinten, kikapcsolt órajel mellett nullára csökkenne a fogyasztása, mindamellett azt bekapcsolva már a papírforma szerint is növekszik az áramfelvétel, ha növeljük a vezérlés frekvenciáját. Itt kapcsolódik mindez a tuninghoz és a mai számítógépekhez. Tekintsük át, mi minden fogyaszt áramot egy sok millió, már a milliárdot is meghaladó számú, ugyanakkor igen kis helyre bezsúfolt, igen aprócska, a tíz nanométer nagyságrendjére miniatürizált tranzisztort tartalmazó CPU-ban.
A CMOS felépítése
Miért lett napjaink egyeduralkodója a CMOS technológia? Ennek egyértelműen alkalmas felépítése adja meg a magyarázatát. A kezdeti számítógépek megawattot is felemésztő, hatalmas monstrumok voltak. A méret és a teljesítményfelvétel is nagyságrendenként kezdett csökkenni, mire a mai PC-ig eljutottunk. Jelenleg a méret csökkenése lelassult, és később a számítási kapacitás is ezt követte. A mobil piac térnyerésével átvette a fő kritériumot az energiahatékonyság. (Megjegyzendő, hogy a több szobányi méretű és a megawattok nagyságrendjében fogyasztó szuperszámítógépek sem tűntek el, de az egyedi számítógépek méretének megfelelő moduláris részekre bonthatók, és számítási kapacitásuk mára minden emberi képzeletet felülmúl.) Hogy jön ide a CMOS? Úgy, hogy az őt elemi szinten felépítő, névadó komplementer tranzisztorpár nem fogyaszt áramot az állandósult állapotban, mint azt korábban is említettük.
Felül P-, alul NMOS tranzisztor egy CMOS inverterben (forrás: Wikipedia) [+]
A fenti képen jól látható mindez: vagy az egyik tranzisztor vezet, mely p-csatornás, vagy a másik, amelyik n-csatornás. A MOS tranzisztorok vezérléséhez viszont klasszikusan „csak” feszültség kell a kapuelektróda elszigetelt mivolta okán, így a következő fokozat sem terheli ezt. Még az átkapcsolás során sem folyik áram – elméletben. A korai CMOS áramkörök elődeikhez képest rettentően keveset is fogyasztottak, de folytatódott a miniatürizálás, és az 1 μm alatti tranzisztorméreteknél ugrásszerűen ismét növekedni kezdett a teljesítményfelvétel. Közeledni kezdtünk a kicsihez, és minél közelebb érünk, annál inkább változnak a szerepkörök részarányai, a hagyományos fizika (mely leginkább nagy méretek esetén működik) és a kvantummechanika (a kis méretek jelenségeit leíró fizika) szerepkörei közül egyre nagyobb beleszólás jut az utóbbinak.
Mik is befolyásolják a mai CMOS áramkörök fogyasztását tehát? A CMOS tranzisztorpár fizikai képét tekintve megpróbálunk mindent számba venni, alapszinten megmagyarázni. Sajnos nem tudunk tökéletes tranzisztort alkotni. A felhasznált félvezető kikapcsolt tranzisztor esetén is egy icipicit vezet, hiszen egy, a gyakorlatban használt MOS tranzisztor sosem nulla bemeneti feszültséget kap. Ugyan így a kapufeszültség a bekapcsolási küszöbfeszültség alá esik, ahol a vezetés már ezzel exponenciálisan arányosan csökken, sajnos minimálisan fellép némi áram. Maga a kapu sincs teljesen elszigetelve, annak ellenére, hogy a szilícium-dioxid igen rossz vezető. A mai kapuoxidok már olyan vékonyak, hogy kvantummechanikailag lehetséges az, hogy egy-egy elektron átjusson a túloldalra, ezzel áramot előidézve, ez az úgynevezett alagúteffektus. Egyre kisebb csíkszélességnél ennek a hatásnak egyre inkább jelentősége lesz a MOS tranzisztorok fogyasztásának meghatározásában.
Egy komplementer CMOS tranzisztorpár metszete (forrás: Wikipedia) [+]
Végül pedig, több, záróirányban előfeszített p-n átmenet is található a chipekben. Sajnos mindezidáig nem sikerült tökéletesen lezáró ilyen átmenetet létrehozni, így kis mértékben ezek is vezetnek, de ez a fenti kettőhöz képest nagyon kis mennyiségét adja csak a parazita fogyasztásnak. Ez a három hatás együtt tehető felelőssé a mai CMOS áramkörök esetén már nyugalmi állapotban is mérhető teljesítményfelvételért, az első kettő nagyobb részben. Ezeket modern felépítésnél is csak megkerülve lehet kiküszöbölni, modulárisra tervezve az áramköröket, és minél több részüket lekapcsolni, ha épp nem szükségesek.
Középiskolából a legtöbben valószínűleg emlékeznek a kondenzátorok felépítésére, a két, szigetelővel elválasztott fegyverzetre, és arra, hogy bizony a kondenzátor feltöltéséhez áram szükségeltetik. A MOS tranzisztor kapuja és a nyelő-szubsztrát-forrás (drain-substrate-source) között a szilícium-dioxid szigetelő egy miniatűr kondenzátort alkot, mint ahogyan járulékos és teljesen ki nem küszöbölhető kapacitása van a source-nak, drain-nek és a hozzávezetéseknek is. A tranzisztor vezérlésekor ezeket a kapacitásokat mind-mind fel kell tölteni, ami elektronok odaáramlását teszi szükségessé, tehát áramot, teljesítményt igényel. Annál nagyobbat, minél gyorsabban akarjuk azt megvalósítani. Természetesen egyenként ez nagyon kicsi, de sok kicsi sokra megy, és itt bizony milliárdos tételek vannak már napirenden.
Végül egy másik, utólag vizsgálva logikus jelenség okoz a fogyasztáscsökkentést szorgalmazó tudósoknak fejtörést. Igen nehéz pontosan egyező paraméterekkel gyártani egy n- és egy p-csatornás tranzisztort, főleg úgy, hogy az egyiknek a kikapcsolási, a másiknak a bekapcsolási ideje egyezzen meg nagyon pontosan. Márpedig, ha nem egyezik, akkor elképzelhető olyan szituáció, hogy az egyik tranzisztor még nem kapcsolt teljesen ki, de a másik már részlegesen bekapcsolt állapotba került. Ez egy haszontalan, rövidzárlati áramot eredményez. Ez a két, igen fontos veszteség csak átkapcsolásokkor jelentkezik, annál erőteljesebben, minél magasabb a működési frekvencia. Szót kell még ejteni arról is, hogy a chipeken belüli áramutak is véges ellenállásúak, azokon is elvész némi teljesítmény, ahogy áram folyik át rajtuk.
A cikk még nem ért véget, kérlek, lapozz!
