ロードマップでわかる！当世プロセッサー事情

第881回

同一周波数で消費電力18%削減！ 進化した「Intel 18A-P」はどこが変わったのか？

5種類のVtと新ライブラリの追加で、より緻密な動作最適化を実現

　まずVtについて。Intel 18AではULVT/LVT/SVT/HVTの4種類だったのが、Intel 18A-PではLVTとULVTの間にULVTLLという新しい電圧を追加している。

要するに省電力モードに入った際の動作電圧の選択肢をもう一つ増やし「ULVTに落とせるほどではないが、LVTではやや電圧過剰」な状態の選択肢を提供した格好だ

　Cell Libraryの概観が下の画像である。ちなみにIntel 18Aは連載831回で示した画像を参照してもらいたい。

Cell Libraryの概観。W3PのDual Contactは後述する

　Intel 18Aでは180nm(180H)が2種類、160nm(160H)が3種類だったのが、今回から4種類/5種類に増えている。要はより細かく動作状態に対応できるようにライブラリーの種類を増やしたわけだが、先も少し書いたようにこれだけ細かくライブラリーがわかれたうえ、ULVTLLを追加となると、どう考えても物理設計をやり直さないとIntel 18A-Pのメリットを生かすのは難しいように思える。

　もちろんメリットはなくてもいい(Intel 18Aと変わらない性能でも構わない)という話であれば、Intel 18Aの設計をそのまま使うことはできそうだが。その新しく追加されたライブラリーにおける性能特性が下の画像だ。

新しく追加されたライブラリーが持つ性能特性。おそらく180Hでの結果だろう。縦軸が消費電力ではなく静電容量であることに注意

　W2/W3でも若干の性能改善が施されているが、これに加えてW3Pでは大幅に性能が引き上げられている。ただこれをそのまま使うと消費電力が増えてしまうことになる。ここにW1を追加することで、全体としては動作周波数を抑えながら平均で9%程度の動作周波数改善が可能になった、という理解でいいはずだ。

　下の画像がFront End、つまりトランジスタ層の特性をまとめたもので、同じリークなら動作周波数が12%向上していることを示している。おもしろいのが右のグラフで、Intel 18A-Pはそのままでは性能向上は6%程度に過ぎないが、Direct BS Contactを併用することでさらに6%の向上につながるとしていることだ。

トランジスタ層の特性。実際には配線層も速度向上のボトルネックになり得るので、ここで最大12%向上したからといって実際にCPUが12%高速に動作するわけではない

　そのトランジスタそのものの性能改善が下の画像で、NMOSで5%、PMOSで16%程度の駆動電流増加を実現したとしている。結果としてCMOS全体で言えば6%ほどの性能改善につながったわけだ。

トランジスタそのものの性能改善。縦軸はどちらも対数スケールのはずである。OffとOnの電流比を比較したものだ

　性能改善をどう実現したかの詳細そのものは当然未公開だが、ヒントとして示されたのが下の画像。PMOS側のRibbonFETにおける歪シリコンの作り方を改良したという説明だ。

右側のグラフは、回折させたNano beamを使っての測定結果とのこと

　確かにこちらを831回で示したIntel 18Aの断面図と比べると、少し形状が違い、より整った形状になっているのがわかる。