IBM показала чипы тоньше 1 нм: nanostack и 100 млрд транзисторов

Компания IBM представила технологическую платформу nanostack для создания сверхплотных полупроводниковых устройств с заявленной толщиной менее 1 нм — около 0,7 нм. Компания рассчитывает, что её производственные партнёры смогут вывести разработки на коммерческий уровень примерно через пять лет.

Главная идея nanostack состоит в переходе от преимущественно плоского размещения элементов к сложной трёхмерной компоновке. IBM заявляет, что новая архитектура способна разместить на одном кристалле почти 100 млрд транзисторов, то есть примерно вдвое увеличить плотность по сравнению с её 2-нм нанолистовой разработкой, представленной в 2021 году.

Содержание

• Платформа nanostack и планы IBM
• 3D-архитектура и сотрудничество с Rapidus
• Технические ориентиры новой платформы
• Почему масштабирование SRAM важно для ИИ
• Вертикальная интеграция транзисторов
• Атомные масштабы и значение для отрасли

Платформа nanostack и планы IBM

IBM позиционирует nanostack не как отдельный технологический эксперимент, а как основу для дальнейшего развития транзисторных структур. Платформа должна поддерживать уменьшение размеров электронных компонентов на протяжении следующего десятилетия и стать следующим этапом после нанолистовых транзисторов.

По оценке компании, практический запуск технологии зависит не только от лабораторных результатов. Необходимо подтвердить воспроизводимость процессов, подобрать подходящие материалы, обеспечить стабильность соединений и адаптировать производство для массового выпуска кристаллов.

Nanostack должна стать платформой для дальнейшего уменьшения транзисторов, а не единичной демонстрацией рекордной плотности.

IBM предполагает, что переход к промышленному применению может занять около пяти лет. При этом компания продолжает развивать партнёрскую модель, в которой исследовательские наработки объединяются с компетенциями литейных производителей.

3D-архитектура и сотрудничество с Rapidus

В основе nanostack лежит развитие подхода nanosheet — нанолистовых транзисторов, которые уже используются или внедряются на передовых технологических нормах. Подобные структуры рассматривают крупнейшие игроки рынка, включая TSMC, Samsung и Intel.

В новой концепции IBM два транзистора располагаются в двух нанолистах, размещённых один над другим. Высота каждого нанолиста составляет приблизительно 5 нм, что сопоставимо примерно с 15 атомами кремния. Между листами предусмотрено расстояние около 9 нм.

• Вертикальная компоновка : транзисторные элементы размещаются не только по площади кристалла, но и по высоте
• Нанолистовая основа : технология использует развитие архитектуры nanosheet для передовых техпроцессов
• Раздельные соединения : к передней и задней сторонам транзисторов можно независимо подводить питание и сигналы
• Производственная кооперация : IBM сотрудничает с японской компанией Rapidus в развитии 2-нм направления

Rapidus рассматривается как один из возможных партнёров для промышленного освоения технологии. Однако IBM пока не сообщала окончательно, будет ли nanostack передана именно этой компании либо другим производителям, включая Samsung.

Трёхмерная укладка позволяет повышать плотность транзисторов без пропорционального увеличения площади кремниевого кристалла.

Технические ориентиры новой платформы

Заявленные параметры nanostack демонстрируют направление исследований IBM в области сверхплотной микроэлектроники. Важно учитывать, что речь идёт о перспективной технологической архитектуре: указанные характеристики не означают немедленный серийный выпуск готовых процессоров.

Ниже приведены основные показатели, которые компания связывает с развитием платформы.

Почему масштабирование SRAM важно для ИИ

Одной из ключевых задач nanostack IBM называет уменьшение логических блоков и статической памяти SRAM. В современных вычислительных системах, особенно в ускорителях искусственного интеллекта, доступ к памяти часто ограничивает итоговую производительность сильнее, чем вычислительные возможности самих ядер.

Эту проблему называют «стеной памяти». Процессор способен выполнять операции очень быстро, но данные не всегда успевают поступить из памяти с той же скоростью. В результате вычислительные блоки могут простаивать в ожидании нужной информации, а энергопотребление системы растёт.

Уменьшение и уплотнение SRAM способно сократить задержки обмена данными и сделать ИИ-ускорители более эффективными по производительности и энергии.

IBM сообщает об улучшении масштабирования SRAM на 40% по сравнению с 2-нм уровнем. Если такая архитектура подтвердит свои преимущества в серийных изделиях, разработчики смогут размещать больше быстрой памяти ближе к вычислительным блокам.

Этот подход особенно важен для процессоров, предназначенных для обработки больших моделей ИИ. Например, разработчики специализированных решений стремятся увеличить долю встроенной памяти, чтобы реже обращаться к более медленным внешним массивам HBM или GDDR.

1. Процессор получает данные из близко расположенной SRAM быстрее, чем из внешней памяти
2. Сокращается время ожидания между вычислительными операциями
3. Уменьшается число энергозатратных обращений к памяти вне кристалла
4. Растёт эффективность обработки крупных ИИ-нагрузок

Вертикальная интеграция транзисторов

В nanostack IBM использует последовательную интеграцию: несколько полупроводниковых слоёв формируются и объединяются на одном кристалле. Такой подход отличается от обычного масштабирования, при котором главным способом повышения плотности было уменьшение размеров элементов в одной плоскости.

Для соединения слоёв компания разработала тонкое диэлектрическое соединение. Оно необходимо для формирования штабелированной структуры и должно обеспечивать надёжную электрическую связь между уровнями устройства.

Последовательная интеграция даёт возможность проектировать верхние и нижние транзисторные каналы отдельно, подбирая для них наиболее подходящие материалы.

Раздельная оптимизация каналов расширяет возможности инженеров: параметры верхнего и нижнего полевых транзисторов можно настраивать независимо. Это открывает путь к использованию разных материалов и конструктивных решений внутри одного трёхмерного устройства.

IBM также развивает это направление совместно с Lam Research. Пятилетнее соглашение компаний предусматривает исследования новых материалов, производственных процессов и методов высоконаполненной EUV-литографии, которые могут потребоваться для технологий за пределами 1 нм.

Атомные масштабы и значение для отрасли

Начиная с технологических норм порядка 3 нм, микроэлектроника всё сильнее сталкивается с квантовыми эффектами. Когда размеры транзисторных структур приближаются к атомному уровню, поведение электронов становится сложнее контролировать привычными методами.

Одним из чувствительных параметров становится пороговое напряжение — значение, при котором транзистор переключается между состояниями. Малейшие отклонения в материалах или структуре могут влиять на стабильность работы компонентов, поэтому производство требует исключительно высокой точности при нанесении и обработке слоёв.

Переход к ангстремным масштабам зависит не только от уменьшения размеров, но и от способности контролировать квантовые явления на уровне отдельных атомных слоёв.

Новая концепция IBM показывает, что дальнейшее развитие микроэлектроники будет связано с комбинацией трёхмерной компоновки, новых материалов и более сложных методов литографии. Однако путь от исследовательской платформы до массового выпуска потребует проверки надёжности, выхода годных кристаллов и экономической целесообразности производства.

Перспективы nanostack важны прежде всего для будущих процессоров ИИ, высокопроизводительных вычислительных систем и специализированных ускорителей. Если технология будет успешно адаптирована к фабричным процессам, она сможет изменить подход к увеличению плотности вычислительных компонентов.

Потенциальное влияние разработки можно оценить по нескольким направлениям:

• Продолжение миниатюризации : архитектура создаёт основу для движения от нанометровых норм к ангстремному классу
• Преодоление ограничений памяти : более плотная SRAM может уменьшить влияние «стены памяти» в ИИ-вычислениях
• Новая свобода проектирования : независимая настройка транзисторных каналов расширяет выбор материалов и конструкций
• Развитие 3D-микросхем : вертикальная интеграция становится важным дополнением к традиционному уменьшению элементов
• Ускорение кооперации : работа с Rapidus и Lam Research способна приблизить лабораторные решения к промышленной реализации

Таким образом, nanostack пока остаётся перспективной платформой IBM, а не готовым рыночным техпроцессом. Но заявленные параметры показывают, каким может стать следующее поколение полупроводников: не просто более компактным, а принципиально трёхмерным, ориентированным на плотную память и сложную интеграцию транзисторов.