Käyttöjännite
Mikroprosessorit vaativat toimiakseen tietyn käyttöjännitteen, josta käytetään usein termejä Vcore ja Vcc. Valmistaja määrittelee jokaiselle mikroprosessorimallilleen toimintaan vaadittavan käyttöjännitteen tai jännitealueen, jonka emolevyn virransyöttö syöttää prosessorikannan kautta mikroprosessorille.
Mikroprosessoreiden valmistustekniikan pienentyessä myös transistorien ohjaamiseen tarvittava käyttöjännite on pienentynyt merkittävästi. Ensimmäisissä mikroprosessoreissa käytettiin viiden voltin käyttöjännitettä suoraan virtalähteestä, mutta pienempien viivaleveyksien eli transistorien pienemmän koon myötä ensin siirryttiin virtalähteen 3,3 volttiin ja lopulta emolevylle integroidun jännitteen regulointipiirin (VRM, Voltage Regulator Module) kautta vieläkin alhaisempiin käyttöjännitteisiin. Nykypäivänä mikroprosessoreiden käyttöjännitteet ovat 32 ja 45 nanometrin valmistustekniikoilla mallista ja rasitusasteesta riippuen noin 0,8-1,5 volttia.
Nykyaikaisen MOSFET-transistorin perusrakenne
Käyttöjännitteellä ohjataan mikroprosessorin piisiruun integroituja satoja miljoonia transistoreita, jotka ovat yhdistetty toisiinsa kuparijohtimilla tietyssä piirikuviossa. Transistorit toimivat yksinkertaisina kytkiminä, joiden kaksi tilaa toimii elektronisen tiedon ykkösinä ja nollina, joihin mikroprosessorin toiminta perustuu. Nykypäivän mikroprosessoreissa käytettävät CMOS-logiikkaan perustuvat kanavatransistorit rakentuvat piialustalle integroiduista lähteestä, nielusta ja niitä yhdistävästä puolijohdekanavasta. Kanava on eristetty sähköisesti ohuella hilaeristeellä hilasta, jota ohjataan hilajännitteellä. Hilalle syötettävällä transistorin käyttöjännitteellä ohjataan lähteestä nieluun kulkevan virran voimakkuutta ja transistorin kytkentätilaa eli johtaako se virtaa vai ei.
Transistorit suunnitellaan siten, että niiden kynnysjännite olisi mahdollisimman alhainen, jotta suorituskyky olisi mahdollisimman hyvä. Kanavan pituudella eli lähteen ja nielun välisellä etäisyydellä on olennainen vaikutus transistorin tilanvaihtonopeuteen. Kehittyneempien litografiatekniikoiden myötä kanavan pituutta on mahdollista pienentää nykyisestä merkittävästi, mutta kun lähteen ja nielun välinen etäisyys tulee tiettyä kriittistä pistettä pienemmäksi, tapahtuu lyhytkanavailmiö, jolloin hila ei enää pysty ohjaamaan kanavavirran kulkua ja transistori lukittuu pysyvästi johtavaan tilaan. Nykyisen CMOS-transistoritekniikan etuja ovat hyvä suorituskyky eli transistorien kytkentänopeus, minimaalinen tehonkulutus, sillä kanavavirran ohjaukseen tarvitaan vain jännite ja teoriassa ei lainkaan virtaa sekä edulliset valmistuskustannukset.
Alhaisen kynnysjännitteen saavuttamiseksi ja transistorien suorituskyvyn parantamiseksi valmistustekniikoita kehitetään jatkuvasti, mutta pienempiin transistoreihin siirryttäessä kohdataan erilaisia fyysisiä ja teknisiä ongelmia sekä haasteita. Esimerkiksi ideaalisessa tilassa ohut kanavan ja hilan toisistaan erottava hilaeriste toimii täydellisenä eristeenä. Paremman kanavavirran voimakkuuden saavuttamiseksi hilaeriste on nykyisin enää muutamien atomien paksuinen ja saattaa aiheuttaa virran vuotoa sen läpi. Ohut hilaeriste mahdollistaa transistorin nopeamman kytkennän, mutta virtavuoto johtaa ei-haluttuihin seurauksiin, joita ovat transistorin käyttäytyminen väärin ja se kuluttaa enemmän tehoa kuin pitäisi.
Intelin ja AMD:n nykyisissä valmistustekniikoissa on käytössä useita menetelmiä, jotka mahdollistavat pienemmät viivaleveydet ja transistorien paremman suorituskyvyn. Yksi läpimurroista transistorikehityksessä on ollut piiatomien venyttäminen, joka nopeuttaa transistorien kytkentää. Kanavassa olevat piiatomit ovat hilamaisessa rakenteessa ja niitä venytetään siten, että atomien väliin jää normaalia suurempi välimatka, jolloin NMOS-transistori kytkeytyy nopeammin. Vastaavasti PMOS-transistorissa piiatomien puristaminen kasaan ja atomien etäisyyksien lähentäminen auttaa kytkentänopeudessa. Intel on hiljattain korvannut perinteisesti piidioksidista valmistetun hilaeristeen hafnium-pohjaisella korkean k-arvon materiaalilla, jonka ominaisuudet ovat vastaavat kuin piidioksidilla, mutta se voi olla paksumpi ja vähentää virtavuotoja. Koska korkean k-arvon hilaeriste ei ole yhteensopiva perinteisesti käytetyn polypiihilan kanssa, Intelin täytyi kehittää lisäksi sen tilalle uusi metallihila. Intel kutsuu nykyisin tuotannossa olevia 45 ja 32 nanometrin tekniikalla valmistettavia transistoreita high-k + metal gate -transistoreiksi.
AMD on kehittänyt yhteistyössä IBM:n kanssa SOI-tekniikkaa (silicon-on-insulator), jossa on pelkän piialustan sijaan kahden piikerroksen välissä eristekerros. Eristeenä käytetään yleensä piidioksidia tai harvemmin safiiria.
