25/57 Athlon 64 FX-51 und Athlon 64 3200+ im Test : Zauber der AMD64-Architektur

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Silicon on Insulator - Ein Schritt in die Zukunft

Mit dem Opteron und den neuen Prozessoren der Athlon-Familie, Athlon 64 und 64 FX, führte AMD nicht nur eine neue Architektur, genannt AMD64, sondern auch eine neue, fortschrittlichere Fertigungstechnik ein. Diese hört auf den Namen Silicon on Insulator, kurz SOI.

Um den Sinn hinter dieser neuen Technik zu verstehen, muss man zunächst einen Blick auf die heute normale Fertigungstechnik Namens CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor-Technologie) werfen. Dies ist eine direkte Weiterentwicklung der alten MOS-Technik, die man bei Prozessoren mit einer Taktrate von bis zu 1GHz einsetze. Sie funktioniert folgendermaßen: In heutigen Transistoren befindet sich auf der Siliziumschicht eine dünne Leiterschicht aus einem Metalloxid, da reines Silizium bekanntlich keinen Strom leiten würde. Um den Strom durch den Transistor weiterzuleiten, fügt man gewollt Unreinheiten in das Substrat ein, um somit eine Leitfähigkeit zu erzeugen. Die Leitfähigkeit des gesamten Transistors wird hingegen wieder von einer Metallschicht und eben jener Metalloxid-Schicht bestimmt. Legt man eine Spannung an die obere Metallschicht an, so lässt die darauf folgende Metalloxid-Schicht den Strom passieren und sorgt somit für einen aktiven Stromfluss.

Transistor nach MOS-Prinzip
Transistor nach MOS-Prinzip (Bild: IBM)

CMOS dreht nun die Verhältnisse um. Während MOS noch relativ hohe Spannungen brauchte, um eine Leitfähigkeit zu erzielen, nutzt CMOS genau das Gegenteil. Kombiniert man also Transistoren beider Techniken, so lassen sich effektive und schnell taktende Prozessoren entwickeln. Jedoch führt dies auch zu einigen Problemen. So bestand das Metalloxid bis vor einiger Zeit noch aus Aluminium und wurde später durch Kupfer, welches eine bessere Leitfähigkeit besitzt, ersetzt. AMD machte diesen Schritt erstmals mit dem Thunderbird auf dem Sockel A. Ebenfalls sah man schon damals, dass man wohl mit der fortschreitenden Verkleinerung der Leiterbahnen hin zur 90nm-Technik auf weitere Probleme stoßen würde. Silicon on Insulator wurde geboren und soll die bei der CMOS-Technik auftretenden Probleme lösen.

Transistor nach CMOS-Prinzip
Transistor nach CMOS-Prinzip (Bild: IBM)

Silicon on Insulator soll nun die Schaltzeiten eines Transistors stark verbessern. Eines der Probleme der CMOS-Architektur war, dass jedes Medium, welches Strom leitet, auch automatisch Strom speichert. So dauerte es beim CMOS-Standard länger die gespeicherte Ladung vollkommen aus dem Bauteil herauszubekommen, als den Transistor wieder mit einem neuen Schaltvorgang zu belegen. Ebenfalls dauerte es recht lange den Transistor so zu laden, dass er fähig war einen Schaltvorgang hervorzurufen. Die technischen Vorzüge der SOI-Technik sind auf dem unteren Bild sehr gut zu erkennen. Während sich beim CMOS-verfahren (links) bei den beiden Unreinheiten links und rechts noch eine Spannung aufbaute, so umgeht die SOI-Technik dies, indem sie eine Schicht Oxid (oftmals Glas oder Siliziumoxid) auf dem Silizium-Substrat, welches hier als Isolator fungiert, platziert. Durch dieses Verfahren wird verhindert, dass sich Spannungen innerhalb des Transistors so aufbauen, dass sie der Schaltzeit des Gesamtwerkes negativ im Wege stehen könnten. Der Transistor kann nunmehr also schneller schalten und somit ebenfalls weit höhere Taktraten erlauben. Die elektrische Kapazität dieses Stromkreises wäre also sehr gering im Vergleich zur betagten CMOS-Technik. Bei IBM spricht man von 20 bis 25% Geschwindigkeitsvorteil der SOI-Technik gegenüber dem Vorgänger.

Transistor nach CMOS-Prinzip und SOI-Transistor
Transistor nach CMOS-Prinzip und SOI-Transistor (Bild: IBM)

Während Apple zur Zeit die neuesten Prozessoren für ihre G5-Rechner bei IBM fertigen lässt, ließ sich AMD ebenfalls von Big Blue unter die Arme greifen, und zog die Fachmänner dieser Firma gegen harte Dollars zur Hilfe und Optimierung des eigenen SOI-Prozesses heran.

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