IBM уместила 100 миллиардов транзисторов на кристалле
Микроминиатюризация компьютерных чипов вышла на новые рубежи. IBM заявила о создании экспериментального образца, в котором уместилось почти 100 миллиардов транзисторов, — и все это благодаря трехмерной технологии.
Компания утверждает, что чип размером 10 на 15 миллиметров обеспечит на 70% более высокую энергоэффективность и на 50% лучшую производительность по сравнению с нынешними лидирующими моделями, а в коммерческих устройствах он появится в течение десяти лет.
Десятилетиями названия техпроцессов производства чипов привязывались к размеру отдельных транзисторов в нанометрах — 10 нанометров, 5 нанометров и так далее. До поры до времени уменьшение этих цифр сопровождалось реальным уплотнением и усовершенствованием начинки микросхем.
В последние годы ситуация значительно усложнилась — названия техпроцессов разошлись с физической реальностью и превратились не более чем в маркетинговые ярлыки, признает Хуэймин Бу, вице-президент IBM по НИОКР полупроводников.
Поэтому когда компания называет свою новейшую технологию «0,7 нанометра» — это вовсе не значит, что элементы действительно настолько малы, даже с учетом их впечатляющего количества на кристалле. Настоящая инновация, на которую, по словам Бу, ушло 15 лет напряженного труда — это процесс соединения двух слоев кремниевых чипов, который обеспечивает все необходимые электрические контакты между ними, не вызывает перегрева и пригоден для массового производства.
Нанометры стали маркетинговыми
«Вся наша индустрия более 60 лет [производства чипов] масштабировала транзисторы в измерениях X и Y, Это первый случай, когда мы обеспечиваем масштабирование транзисторов в направлении Z», — подчеркивает инженер.
В IBM не раскрывают точные размеры компонентов в новой технологии, но из опубликованных данных следует, что технология представляет собой, по сути, два слоя первого работоспособного чипа 2 нм, анонсированного в 2021 году. Такие уже выпускаются ведущими мировыми производителями и, более того, Apple обещала применить выполненный по этому техпроцессу CPU в следующем iPhone.
Из-за огромной сложности и затрат на проектирование и производство новых чипов конкуренты сотрудничают в разработке дорожной карты, в соответствии с которой появляются новые технологии; координирует процесс некоммерческий Межуниверситетский центр микроэлектроники IMEC. Выход IBM на 0,7 нм был ожидаемым; за ней, очевидно, последуют и другие вендоры.
Бу надеется, что еще через десять лет новые чипы 0,7 нм появятся в коммерческих устройствах, однако отмечает, что разработчикам все чаще приходится сталкиваться с физическими ограничениями — бороться с нежелательными квантовыми эффектами, утечками тока и другими проблемами, возникающими в таких микроскопических масштабах. Отдельные части новейших чипов имеют толщину всего в 15 атомов кремния.
Многослойные чипы и трехмерная микроэлектроника
Другие производители чипов тоже заявляют о столь же высокой плотности транзисторов, но на самом деле используют многослойные структуры из кремния, разделенные толстыми слоями подложки, что не дает реализовать истинно трехмерную конструкцию, как у IBM, поскольку затруднены соединения между слоями и охлаждение кристалла, объясняет профессор Оуэн Гай из Университета Суонси.
«Вокруг этого много обмана и пустых обещаний», — отмечает он.
По его словам, компоненты чипов стали настолько малы, что уменьшение размера транзисторов — даже если чип требует их миллиарды — на практике уже не сделает такое устройство, как ноутбук или смартфон, меньше. Необходимость дальнейшей микроминиатюризации обусловлена больше повышением энергоэффективности и улучшением охлаждения, чтобы продлить время работы мобильных устройств от батареи или снизить энергопотребление дата-центров.
Одной из главных задач теперь станет интеграция новой технологии чипов IBM в глобальную производственную цепочку и их внедрение в электронные схемы. Чипы изготавливаются партиями из сотен штук на одной 300-миллиметровой кремниевой пластине, которую потом нарезают на отдельные кристаллы. Добавление непроверенной новой функции, такой как второй слой IBM, будет очень непростой задачей.
Что дальше
Некоторые производители замахиваются на еще более миниатюрную технологию 0,2 нанометра, при которой отдельные участки схемы могут иметь ширину в один атом.
«Один электрон и один атом — это конечный предел. Вероятно, к 2050 году нам придется использовать квантовые технологии, чтобы совершить следующий большой скачок», — подытожил Гай.
