IBM nie jest co prawda masowym dostawcą układów jak chociażby TSMC, ale jego dział badawczy od lat 60. intensywnie pracuje nad tym, by przekraczać kolejne granice w branży produkcyjnej. To oni w 2015 roku (wspólnie z Samsungiem i GlobalFoundries, które odkupiło od nich fabryki) wprowadzili proces 7nm dzięki litografii skrajnego ultrafioletu. Potem zakończyli erę tranzystorów trójwymiarowych (FinFET) po wejściu na poziomie 5nm ze względu na fizyczne ograniczenia. Byli także pierwsi do zaprezentowania chipu w procesie 2nm.
Do tego celu zastosowali architekturę GAA (Gate-All-Around) z poziomymi warstwami krzemu otoczonymi bramką (Nanosheet). To rozwiązanie stanowi dziś o większości układów 3nm i 2nm dostarczanych przez wiodących producentów. Najpewniej nie zniknie z rynku nagle, ale na horyzoncie majaczy już nowa technika budowania układów. Dzięki niej IBM doszedł jako pierwszy do ery Angstremów (poniżej 1 nm).
IBM nakłada na siebie dwa układy w ramach nanostack
Naukowcy z IBM zbudowali układ, który w standardowym systemie mierniczym korzysta z procesu litograficznego 0,7 nm (lub 7 Angstremów). W porównaniu do rozwiązania IBM korzystającego korzystającego z GAA, udało się osiągnąć wydajność wyższą do 50% i to przy o 70% wyższej efektywności energetycznej. Co może być jeszcze ważniejsze w erze sztucznej inteligencji, udało się także zwiększyć o 40% gęstość dla SRAM, co przyspieszy transfer danych w przypadku zaawansowanych obliczeń.
Aby do tego dojść, firma musiała postawić na całkowicie nową architekturę, jaką jest Nanostack (pol. nanostos). To rozwiązanie, które IBM określa jako pierwszą taką próbę budowy tranzystorów w stosy, wykorzystując integrację sekwencyjną. W efekcie na chipie mieści się więcej tranzystorów. Taka konstrukcja pozwala też na zastosowanie różnych kombinacji materiałów w każdej warstwie, co daje narzędzie do optymalizowania wydajności i energooszczędności każdego tranzystora niezależnie od pozostałych.
Koncepcja nanostosu najpewniej oddziela komplementarne tranzystory typu n i p w pionowo połączone warstwy, zamiast umieszczać je obok siebie w jednej warstwie tranzystorów. Korzyścią jest znaczna redukcja powierzchni bocznej pary CMOS, ponieważ architektura ta skutecznie przekształca jedną strukturę NFET+PFET z układu 2D w układ 3D. To pozwala IBM twierdzić, że gęstość tranzystorów jest mniej więcej dwukrotnie większa niż w przypadku węzła badawczego 2 nm, bez konieczności uciekania się do konwencjonalnego zmniejszania gęstości planarnej.
Czytaj także: Zbiornik z wodą posłużył im do rozwikłania kwantowej zagadki. Przypadkowo odkryli zupełnie nowe zjawisko
Architektura przeszła już pierwsze testy w integracji CMOS, a także poprzez test inwertera CMOS. Rozwiązanie jest nieco inne niż konstrukcja tranzystorów CFET ze względu na osobne budowanie wafli i łączenie ich ultracienkimi wiązaniami dielektrycznymi, co daje większą kontrolę nad każdym z wafli, także na poziomie wybranego materiału czy geometrii (choć akurat zdjęcia IBM sugerują, że obydwa wafle są takie same).
Do sklepowych układów jeszcze długa i kręta droga
Takie rozwiązanie wygląda obiecująco i po zainteresowaniu branży nakładaniem wafli wydaje się przyszlością, ale jest też dość ryzykowne. Przede wszystkim proces ten wymaga ogromnej precyzji, a każdy defekt na interfejsie łączącym może zniszczyć cały stos. Trudniejsze staje się także chłodzenie takiego układu, gdyż przynajmniej część układu będzie bardziej oddalona od systemu odprowadzającego ciepło lub będzie trzeba umieścić chip w “kanapce” z chłodzenia. Po trzecie, dwie aktywne warstwy mogą komplikować dostarczanie energii.
Czytaj także: Naukowcy złożyli druk 3D jak kartkę papieru. Produkcja nagle przyśpieszyła o 95 procent
Nie będzie to te technologia, która pomoże rozwiązać obecny kryzys. Prognozy IBM zakładają, że może do tego dojść za około 5 lat i to przy założeniu jak najwcześniejszego przyjęcia przez rynek technologii nanostosu. Nie ma co też nastawiać się na szybką popularyzację takich rozwiązań. Dwa wafle FEOL, łącznik i sam proces łączenia podniosą koszt produkcji i najpewniej ją spowolnią. Być może więc skończy się na tym, że innowacja ta przez lata zostanie zarezerwowana dla centrów danych z kosztownymi maszynami.
