IBM создала новый прототип чипа с примерно 100 миллиардами транзисторов на площади размером с ноготь — это вдвое плотнее, чем в предыдущей передовой технологии компании, анонсированной в 2021 году. Такая конструкция может проложить путь к более быстрым и энергоэффективным компьютерам на долгие годы вперёд.
Более полувека производители чипов могли создавать всё более мощные компьютеры, следуя ключевому принципу закона Мура: умещать на кристалле всё больше транзисторов. Для этого они уменьшали транзисторы — крошечные переключатели, выполняющие вычисления, — до всё меньших размеров. Однако за последние 15 лет транзисторы приблизились к точке, где квантовая механика начинает мешать их работе: их размер составляет всего несколько десятков нанометров. Меньше они уже не станут.
Поэтому, чтобы разместить больше транзисторов на чипе, инженеры по всей отрасли присматриваются к подходу, хорошо знакомому градостроителям: строить вверх. В четверг IBM объявила, что создала чип, использующий эту стратегию. Новая архитектура, известная как «наностекинг», вертикально укладывает транзисторы в два слоя на кремниевом чипе.
«Это не просто постепенный шаг», — заявил Джей Гамбетта, директор IBM Research, на пресс-конференции во вторник. «Это значительный скачок вперёд». По его прогнозам, в течение десятилетия чипы с наностекингом будут широко использоваться в дата-центрах, где их повышенная эффективность поможет этим объектам лучше управлять энергопотреблением.
«Безусловно, это трансформация», — говорит Дэн Хатчесон, заместитель председателя TechInsights, компании, занимающейся технологическим анализом. «Это добавляет ещё 10–15 лет к дорожной карте».
По сравнению с предыдущей передовой архитектурой IBM, чипы, созданные с использованием нового подхода, могут выполнять до 50% больше работы за то же время и быть на 70% более энергоэффективными, сообщает компания.
Архитектура предлагает общий способ размещения транзисторов, и IBM будет сотрудничать с производителями полупроводников для выпуска реальных чипов. Ожидается, что разработчики будут применять эту конструкцию в самых разных типах чипов, включая GPU и CPU. «Я ожидаю множества разговоров с проектировщиками о том, как они могут использовать эту технологию», — сказал Хуймин Бу, вице-президент IBM по глобальным исследованиям и разработкам в области полупроводников, на пресс-конференции, посвящённой новой разработке.
Слоёный пирог
Инженеры создавали новый чип IBM слой за слоем, словно торт. Сначала они изготавливают транзисторы на одном слое кремния. Затем поверх этих устройств помещают ещё один кремниевый слой и прямо на нём формируют следующий слой транзисторов. Наконец, они создают электрические соединения между двумя слоями транзисторов. Такая вертикальная стопка, объединяющая два типа транзисторов, известна как комплементарный полевой транзистор (CFET), объясняет Цин Цао, профессор материаловедения и инженерии Университета Иллинойса в Урбане-Шампейн, не участвовавший в работе.
Компания не единственная, кто идёт по этому пути. Крупнейшие производители чипов — Intel, Samsung и TSMC, а также конкурирующая исследовательская лаборатория Imec в Бельгии — уже изучают CFET. В IBM отмечают, что их конструкция отличается тем, что транзисторы второго слоя располагаются не непосредственно над транзисторами первого слоя, а со смещением, что, по словам компании, упрощает разводку проводников и даёт другие преимущества.
CFET, подобные тем, что используются в архитектуре наностекинга IBM, отличаются от другого распространённого подхода к созданию двухслойных чипов, такого как 3D V-Cache от AMD или грядущая технология LogicFolding от Huawei, отмечает Цао. В этих подходах инженеры изготавливают транзисторы на каждом слое чипа независимо, а затем скрепляют оба слоя вместе. Новый метод IBM позволяет более точно выровнять слои, что важно для производительности, поскольку транзисторы чрезвычайно малы, говорит Цао.
Наностекинг развивает подход, называемый «нанотехнология листов» (nanosheet), который используется для создания современных транзисторов примерно с 2022 года. Транзистор — это, по сути, шланг, по которому текут электроны, с клапаном, включающим и выключающим поток. Внутри транзистора электроны движутся через участок кремния, называемый каналом. В подходе IBM с наностекингом канал состоит из трёх нанолистов толщиной по 15 атомов, расположенных на расстоянии девяти нанометров друг от друга.
Каждое поколение чипов получает название. IBM называет свою технологию наностекинга «субнанометровой» или «0,7 нанометра», следуя давней отраслевой традиции, когда каждое поколение именуется по всё меньшей длине. Но «0,7 нанометра» — это маркетинговый термин, не соответствующий никаким физическим характеристикам чипа. Расстояние между транзисторами «уже довольно долгое время держится на уровне около 40 нанометров», — отмечает Цао.
Запуск в производство
Заглядывая вперёд, производители чипов могут попытаться увеличить плотность транзисторов, наращивая дополнительные уровни, как предположил Бу на пресс-конференции. Однако, по словам Цао, они столкнутся с практическими трудностями. При производстве возникают ошибки, из-за чего определённое количество чипов оказывается бракованным с самого начала. «Вы строите ещё один слой поверх, и если откажет верхний или нижний слой, весь чип выйдет из строя», — говорит Цао. В результате процент брака будет выше, чем у однослойных чипов, что будет дорогостоящим.
Ещё одна ключевая задача — то, что Цао называет «тепловым бюджетом». По сути, это означает, что инженерам нужно понять, как создавать каждый слой, не расплавив соединения с нижележащим. Для этого необходимо поддерживать температуру производственных процессов ниже 400 °C. IBM удалось изготовить второй слой при достаточно низкой температуре, хотя компания умалчивает о своих методах.
Учёные тоже работают над этой проблемой. Например, группа Цао создала метод послойного укладывания транзисторов, при котором второй слой изготавливается с использованием процессов при температуре ниже 200 °C. Это удаётся за счёт использования типа транзисторов, известных как транзисторы без p-n-перехода (junctionless), которые можно создавать без обязательного этапа, называемого легированием, — процесса внедрения атомов не кремния в кремний для настройки свойств материала. Легирование обычно является самой горячей частью изготовления транзисторов. Цао считает, что с точки зрения терморегуляции его подход может быть проще масштабировать до нескольких уровней, хотя его демонстрация — лишь подтверждение концепции.
Тем не менее Цао считает работу IBM «преобразующей», поскольку она показывает, как укладывать транзисторы в стопку «на целой пластине с использованием передовой производственной линии». Новый подход продвигает отрасль вперёд, говорит он: «Мне интересно, каким будет их киллер-приложение».
Читайте далее
Самое популярное
Новая сотовая сеть в США для христиан обещает блокировать порно и контент, связанный с гендером
Запускаемая на следующей неделе в сети T-Mobile, эта тарифная программа применяет радикальный подход к онлайн-безопасности.
Стартап заявляет, что преодолел узкое место, сдерживающее LLM
Компания Subquadratic теперь раскрыла больше подробностей о своей новой модели. Но некоторые по-прежнему настроены скептически.
Маск против Альтмана, неделя 1: Илон Маск заявил, что его обманули, предупредил, что ИИ может убить всех нас, и признал, что xAI дистиллирует модели OpenAI
Маск сохранял спокойствие, а адвокат OpenAI завалил его острыми вопросами о мотивах подачи иска на компанию.
Китай одобрил первый в мире инвазивный чип для мозга — что дальше
Страна стремится стать мировым лидером в области мозговых имплантатов. Ожидается, что сильная государственная поддержка ускорит этот процесс.
Оставайтесь на связи
Получайте последние новости от MIT Technology Review
Откройте для себя специальные предложения, главные события, предстоящие мероприятия и многое другое.