Onderdelen van vijf atomen dik

Herbert Blankesteijn

Wie heeft er een pc met Pentium 4-processor? Niemand? Pentium 3? Beet eerlijk gezegd wel, maar dat is beroepshalve. Pc's met Pentium 2-processor kunnen alles wat een gewoon mens met een pc wil doen, uitgezonderd krachtpatserij als videomontage, spraakherkenning, Windows XP en de nieuwste games. Intel dendert intussen voort op de weg die door de 'Wet van Moore' is uitgestippeld. Gemiddeld elke twee jaar verdubbelt het aantal transistors op een processor. Over een jaar ligt de opvolger van de Pentium 4 alweer in de winkel.

In augustus heeft Intel technische details prijsgegeven over zijn nieuwe paradepaardje. Voorlopig heeft deze de codenaam Prescott, maar het is geen gewaagde veronderstelling dat hij uiteindelijk Pentium 5 zal heten. De Pentium 5 zal circa 100 miljoen transistors hebben. De vernieuwende technieken die dit monster mogelijk maken zijn al beproefd in nieuwe geheugenchips.

Bij elke generatie processors moeten er nieuwe problemen worden overwonnen. Een daarvan is de warmteproductie, die bij elke volgende generatie processors verder zou oplopen als er geen maatregelen werden genomen. Bij Pentium processors, dus na de 486-generatie, zijn eerst de koelribben op een processor ingevoerd en vervolgens de ventilator daarbovenop, die de processor koelte toewaait. De elektrische spanning waarmee een processor werkt is tien jaar geleden al teruggeschroefd van 5 Volt naar 3 Volt, terwijl de Pentium 5 op maximaal 1,2 Volt zal werken. Ook dit vermindert de warmteproductie.

Een spectaculaire noviteit in de Pentium 5 zal zijn het gebruik van 'opgerekt' ('strained') silicium. Dat is silicium waarin de atomen verder uit elkaar liggen dan normaal. Het verschil is niet meer dan 1%, maar dit zorgt voor een spectaculair (10 tot 20%) lagere elektrische weerstand, die op zijn beurt sneller transport van electrische signalen mogelijk maakt. De lagere weerstand levert ook een bijdrage aan de geringere warmteproductie. De techniek voegt volgens Intel maar 1% aan de kosten van de chip toe.

De horizontale afmetingen van de onderdelen op de nieuwe chips meten nog maar 90 nm: 90 miljardste meter. Wat meer is, het kleinste onderdeel in de Pentium 5 is maar 1,2 nm dik. Net iets meer dan een miljardste meter; dat komt neer op vijf atoomlagen! Het betreffende onderdeel is het 'gate oxide', een isolerende laag siliciumoxyde die de werking van de transistor als schakelaar mogelijk maakt. Hoe dunner het 'gate oxide', hoe sneller de schakelwerking van de transistor.

Chips worden gemaakt met fotografische technieken: het patroon van de verbindingen op een chip wordt door belichting op een silicium oppervlak aangebracht, waarna een aantal chemische (lithografische) bewerkingen volgt. Het probleem bij het fotografische deel van het proces is, dat de details op de chip niet veel kleiner kunnen worden dan de golflengte van het gebruikte licht. Voor de Pentium 5 zal licht gebruikt worden met een golflengte van 193 nm. Dit geldt als 'ver' ultraviolet en kan door het menselijk oog niet worden gezien - gewoon licht heeft een golflengte van 690 nm (rood) tot 400 nm (blauw). Dit verre ultraviolet kan nog wel met lenzen worden gestuurd. Maar binnen enkele jaren zijn golflengtes nodig uit het 'extreme' ultraviolet, dat sterk op röntgenstraling lijkt. Er wordt geëxperimenteerd met een golflengte van 13 nm. Dergelijke golflengtes dringen niet door lucht of lenzen heen. De productie van chips moet dan dus in vacuum plaatsvinden en moet gebruik maken van spiegels in plaats van lenzen, wat de techniek voor heel nieuwe uitdagingen stelt.

De Pentium 5 wordt volgend jaar verwacht, de opvolger dáárvan in omstreeks 2007. Terwijl de technische problemen worden opgelost, hebben we nog even tijd om te verzinnen wat voor computerproblemen een dergelijke processor eigenlijk moet gaan oplossen.