Компания IBM создала новый прототип чипа с примерно 100 миллиардами транзисторов на площади размером с ноготь, что вдвое превышает плотность передовой технологии компании, анонсированной в 2021 году. Эта разработка может проложить путь к созданию более быстрых и энергоэффективных компьютеров на долгие годы.
Более полувека производители чипов могли создавать всё более мощные компьютеры, следуя главному принципу закона Мура: размещать больше транзисторов на кристалле. Для этого они уменьшали транзисторы — крошечные переключатели, выполняющие вычисления — до постепенно меньших размеров. Но за последние 15 лет транзисторы приблизились к точке, когда их работе начинает мешать квантовая механика: их размер составляет всего несколько десятков нанометров. Уменьшать их дальше невозможно.
Поэтому, чтобы разместить больше транзисторов на чипе, инженеры отрасли обращают внимание на подход, знакомый градостроителям: строить вверх. В четверг IBM объявила о создании чипа, использующего эту стратегию. Новая архитектура, известная как наностек (nanostack), 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 прорыв». По прогнозам Гамбетты, в течение десяти лет чипы с наностекированием будут широко использоваться в центрах обработки данных, где их повышенная эффективность поможет этим объектам лучше управлять энергопотреблением.
«Безусловно, это трансформация, — говорит Дэн Хатчисон, вице-председатель TechInsights, компании, занимающейся анализом технологий. — Это добавляет еще 10–15 лет в дорожную карту».
По сравнению с предыдущей передовой архитектурой IBM, компания сообщает, что чипы, созданные с использованием этого нового подхода, могут выполнять на 50% больше работы за то же время и быть до 70% более энергоэффективными.
Архитектура предлагает общий способ компоновки транзисторов, и IBM будет сотрудничать с производителями полупроводников для создания самих чипов. Компания предполагает, что разработчики чипов будут использовать эту конструкцию во многих различных типах чипов, включая GPU и CPU. «Я ожидаю провести много бесед с разработчиками о том, как они могут использовать эту технологию», — сказал Хуэймин Бу, вице-президент IBM по глобальным исследованиям и разработкам в области полупроводников, на пресс-конференции, посвященной новой разработке.
Слоеный пирог
Инженеры создавали новый чип IBM слой за слоем, как торт. Сначала они изготавливают транзисторы на одном кремниевом слое. Затем они помещают кремниевый слой поверх этих элементов и изготавливают еще один слой транзисторов непосредственно поверх него. Наконец, они создают электрические соединения между двумя слоями транзисторов. Такой вертикальный стек, объединяющий два типа транзисторов, известен как комплементарный полевой транзистор, или CFET, — объясняет Цин Цао, профессор материаловедения и инженерии в Иллинойсском университете в Урбана-Шампейн, который не участвовал в этой работе.
Компания не единственная, кто придерживается этого общего подхода. Крупнейшие производители чипов — Intel, Samsung и TSMC — а также конкурирующая исследовательская лаборатория Imec в Бельгии исследуют CFET. IBM заявляет, что ее разработка отличается тем, что транзисторы второго слоя расположены не прямо над транзисторами первого слоя; скорее, они смещены, что, по утверждению компании, упрощает разводку, среди прочих преимуществ.
CFET, подобные тем, что используются в архитектуре наностека IBM, отличаются от другого распространенного подхода к созданию двухслойных чипов, такого как 3D V-Cache от AMD и будущая технология LogicFolding от Huawei, — говорит Цао. В этих подходах инженеры изготавливают транзисторы на каждом слое чипа независимо, а затем склеивают их вместе. Новый метод IBM позволяет более точно выравнивать слои, что важно для производительности, поскольку транзисторы очень малы, — отмечает Цао.
Наностекирование основано на подходе, называемом технологией нанолистов (nanosheet), которая используется для создания самых современных транзисторов примерно с 2022 года. Транзистор по сути представляет собой шланг, по которому текут электроны, с клапаном, который может включать или выключать поток. Внутри транзистора электроны проходят через участок кремния, называемый каналом. В подходе наностека IBM канал состоит из трех нанолистов толщиной 15 атомов каждый, разделенных расстоянием в девять нанометров.
Каждое поколение чипов получает название. IBM называет свою технологию наностека «субнанометровой» или «0,7 нанометра», следуя давней отраслевой конвенции, согласно которой каждое поколение называется в честь всё меньшей длины. Но «0,7 нанометра» — это маркетинговый термин, который не соответствует никаким физическим характеристикам чипа. Расстояние между транзисторами «остается на уровне около 40 нанометров в течение довольно долгого времени», — говорит Цао.
Внедрение в производство
Заглядывая в будущее, производители чипов могут попытаться увеличить плотность транзисторов, добавляя больше уровней, как предположил Бу на пресс-конференции. Однако, по словам Цао, они столкнутся с практическими проблемами. Производство вносит ошибки, а это означает, что определенное количество чипов оказывается бракованным при создании. «Здесь вы строите еще один слой сверху, поэтому, если выйдет из строя либо верхний, либо нижний слой, весь ваш чип выйдет из строя», — говорит Цао. Полученный процент отказов будет выше, чем у однослойных чипов, а это будет дорого.
Другая центральная проблема — это то, что Цао называет «тепловым бюджетом». По сути, это означает, что инженеры должны выяснить, как построить каждый слой, не расплавив соединения с нижележащим. Это требует, чтобы производственные процессы проходили при температуре ниже 400 °C. IBM нашла способ создать второй стек при достаточно низкой температуре, хотя компания держит свои методы в секрете.
Ученые также работают над этим. Группа Цао, например, разработала метод послойной укладки транзисторов, где второй слой создается с использованием процессов при температуре ниже 200 °C. Они достигают этого, используя тип транзистора, известный как транзистор без p-n перехода (junctionless transistor), который можно создать без обычно требуемого этапа, называемого рутированием (doping) — процесса введения некремниевых атомов в кремний для настройки свойств материала. Рутирование обычно является самой горячей частью изготовления транзисторов. Цао считает, что с точки зрения теплового управления его подход может быть легче масштабировать до нескольких уровней, хотя его демонстрация является лишь доказательством концепции.
Но Цао считает работу IBM «трансформационной», поскольку она демонстрирует, как укладывать транзисторы «на полную пластину с использованием самой современной производственной линии». По его словам, новый подход продвигает отрасль вперед: «Мне интересно, каково их ключевое применение».
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Rachel Courtland
