Pilguheit New Yorgi laborisse, kus IBM kahandab maailma seitsme angstremmini

Iga kord, kui puudutate rakenduse avamiseks ekraani, asub teie soovi täitma mikroskoopiliste lülitite hääletu armee. Need lülitid on transistorid ja nad on saavutanud nii väikese mõõtme, et aatomid on ainus järelejäänud mõõdupuu. IBM teatas hiljuti läbimurdest selles nähtamatus maailmas, valmistades toimiva 0,7-nanomeetrise kiibi. Selle skaala saavutamiseks loobus ettevõte traditsioonilistest lamedatest disainilahendustest ja liikus vertikaalse paigutuse poole, mida nimetatakse nanostack-tehnoloogiaks. See arhitektuur mahutab peaaegu 100 miljardit transistorit alale, mis ei ole suurem kui inimese küünt.

Aatomite virnastamine füüsikapiiride ületamiseks

0,7-nanomeetrine kiip saab alguse töötlemata ränivahvlist. See vahvel läbib protsessi, kus valgus uuristab teed elektri jaoks. Uues nanostack-disainis virnastavad insenerid ühe transistori moodustamiseks kolm ränilehte. Iga leht on vaid 15 aatomi paksune. Need virnad asuvad üksteise peal, et säästa kiibi pindala. Ruumi säästmine võimaldab komponentide suuremat tihedust. Suurem tihedus tagab suurema töötlemisvõimsuse ilma riistvara füüsilist suurust suurendamata.

Ajalooliselt järgis kiipide areng lamedat teed. Disainerid paigutasid transistore kõrvuti nagu maju eeslinna naabruskonnas. Kui need majad muutusid väiksemaks, sai tööstusel maa otsa. IBM-i uus lähenemine on digitaalne ekvivalent pilvelõhkuja ehitamisele. Transistoride vertikaalse paigutamisega mahutab ettevõte samale alale kaks korda rohkem osi kui oma eelmise 2-nanomeetrise disaini puhul. See üleminek 7 angstremmile, mis on 0,7 nanomeetrit, tähistab esimest korda, kui ettevõte on funktsionaalses testkiibis edukalt liikunud alla 1 nanomeetri piiri.

100 miljardi transistoriga kiibi geomeetria

Kapoti all tugineb nanostack-arhitektuur seeriale kihtidele, mis on ligikaudu viie nanomeetri paksused. Neid kihte eraldab üheksananomeetrine vahe. Tavakasutaja jaoks on neid numbreid raske visualiseerida, sest need on väiksemad kui inimese DNA ahel. Kui sõrmeküüs oleks linna suurune, siis üks neist transistoridest oleks kõnniteel asuva väikese kivi suurune.

See tihedus on järgmise põlvkonna arvutitehnika alustala. Mikrokiibid on kaasaegse majanduse digitaalne toornafta ja nende tõhusus määrab, kui palju me oma seadmetega saavutada suudame. Kui pakkida 100 miljardit transistorit tillukesele alale, lüheneb elektri läbitav vahemaa. Lühemad vahemaad tähendavad vähem soojust ja kiiremat reageerimisaega. Süsteemne nihe vertikaalse virnastamise poole on praktiline vastus asjaolule, et oleme jõudmas füüsiliste piirideni selles, kui õhuke saab olla üks ränikiht.

Valik aku kestvuse ja töötlemiskiiruse vahel

IBM-i sõnul annab see uus disain tootjatele valiku. Nad saavad kasutada täiendavaid transistore 50 protsenti suurema jõudluse või 70 protsenti suurema energiatõhususe saavutamiseks. See on kompromiss, mis määratleb tarbeelektroonika järgmise kümnendi jooksul. Praktiliselt tähendab 70-protsendiline hüpe tõhususes seda, et teie nutitelefon võib vastu pidada neli päeva ilma laadimiseta. Vastupidi, 50-protsendiline jõudluse kasv võimaldaks mobiilseadmetel tulla toime keerukate ülesannetega, mis praegu nõuavad lauaarvutit.

Enamiku kasutajate jaoks on energiatõhusus käegakatsutavam eelis. Kaasaegsed rakendused ja tehisintellekti funktsioonid on aplad energiatarbijad. Nad tühjendavad akusid enneolematus tempos, kuna nõuavad pidevat arvutamist. Kiip, mis teeb vähema elektriga rohkem tööd, on vastupidav lahendus lühikese aku kestvuse probleemile. See tõhusus on ka makrotasandi jätkusuutlikkuse küsimus. Andmekeskused tarbivad interneti käigushoidmiseks tohutul hulgal energiat ning nende energiavajaduse 70-protsendiline vähenemine avaldaks süsteemset mõju ülemaailmsele elektrinõudlusele.

Lõhe ületamine labori ja tehase vahel

Laboratoorse läbimurde muutmine tooteks, mida saab osta, on aeglane ja kallis protsess. Tee Albany's asuvast IBM-i uurimiskeskusest tarbijaseadmeni hõlmab mitmeid tööstusharusid. Esiteks peab disain liikuma valutöökotta (foundry). Valutöökojad on massiivsed tehased, mis trükivad kiipe ränile. IBM ei oma neid tehaseid. Selle asemel teevad nad koostööd selliste ettevõtetega nagu Rapidus Jaapanis, et need disainilahendused turule tuua.

Suurt pilti vaadates on selle tehnoloogia ajakava optimistlik. IBM prognoosib masstootmiseks viis aastat. See tähendab, et võime näha 0,7-nanomeetrisi kiipe tippklassi sülearvutites või telefonides umbes 2031. aastal. Tööstus tegeleb aga alles 2-nanomeetrise protsessi omandamisega. Rapidus plaanib alustada 2-nanomeetrist tootmist 2027. aasta lõpus. Üleminek 2 nanomeetrilt 0,7 nanomeetrile nõuab tootmisseadmete täielikku uuendamist. Masinad, mis neid mustreid söövitavad, kasutavad ekstreemset ultraviolettvalgust ja maksavad sadu miljoneid dollareid tükk. Need kulud jõuavad lõpuks tarbijani lipulaevseadmete kõrgemate hindade näol.

Mikroskoopilise täpsuse kõrge hind

Turu poolelt on alla 1-nanomeetriste kiipide arendamise maksumus muutumas paljudele ettevõtetele takistuseks. Ainult üksikutel tegijatel on kapitali selles võidujooksus osalemiseks. See võimu koondumine muudab tarneahela läbipaistmatumaks ja vähem detsentraliseerituks. Kui maailmas saavad kõige arenenumat räni toota vaid üks või kaks tehast, mõjutab igasugune häire neis kohtades kogu maailma majandust.

Tarbija seisukohast tähendab see, et lõhe säästutelefonide ja tipptelefonide vahel tõenäoliselt süveneb. Premium-klassil on juurdepääs 7-angstremmistele nanostack-kiipidele ja uskumatule aku kestvusele. Keskklassi turg jääb tõenäoliselt pikemaks ajaks vanemate ja odavamate tehnoloogiate juurde. See on tehnoloogiamaailmas tsükliline muster, kuid alla 1-nanomeetrise tootmise äärmuslik keerukus muudab selle lõhe püsivamaks.

Mida see tähendab teie järgmise seadme jaoks

Igapäevaelus muudab nanostack-tehnoloogia tulek seda, kuidas me kaasaskantava tehnoloogiaga suhtleme. Oleme praegu perioodis, kus riistvara jõudlus on paljude põhiülesannete puhul jäänud samale tasemele. Kolme aasta tagune nutitelefon tundub väga sarnane tänapäevase nutitelefoniga. 0,7-nanomeetrine läbimurre murrab selle seisaku. See pakub skaleeritavat teed järgmise kümne aasta innovatsiooniks.

Tavakasutaja jaoks viitavad olulisemad järeldused kahele asjale. Esiteks, akutehnoloogia ei ole ainus viis telefoni tööaja pikendamiseks. Kui kiip tarbib 70 protsenti vähem energiat, muutub aku tõhusamaks ilma selle suurust muutmata. Teiseks, tehnoloogia tipptasemel püsimise hind tõuseb. Kuna inseneritöö muutub keerukamaks, peegeldab lõpptoote hind teadusuuringutele kulutatud miljardeid dollareid.

Lõppkokkuvõttes on IBM-i teadaanne signaal, et räni ajastu ei ole läbi. Kardeti, et me ei saa minna väiksemaks kui 2 nanomeetrit, ilma et põrkuksime kokku subatomaarsete osakeste kaootilise käitumisega. Nanostack-arhitektuur on kaval viis hoida tööstust edasi liikumas. See kasutab vertikaalset ruumi, et mööda minna horisontaalse pindala piirangutest. See areng tagab, et arvutid muutuvad lähitulevikus jätkuvalt võimekamaks.

Praktiline ettenägelikkus digitarbijale

Selle asemel, et oodata järgmisel aastal 0,7-nanomeetrist telefoni, vaadake oma praegusi digiharjumusi. Nihe suurema tõhususe poole on meeldetuletus, et teie taskus olev võimsaim tööriist on nähtamatu tööstusmehaanika tulemus. Kuna need kiibid muutuvad võimsamaks, muutuvad nad ka spetsialiseeritumaks. Järgmist seadet ostes seadke energiatõhususe näitajad ettepoole toorest taktisagedusest. Järgmise kümnendi tehnoloogia võidavad seadmed, mis püsivad kõige kauem sisselülitatuna, mitte ainult need, mis arvutavad kõige kiiremini. Hoidke silm peal Rapiduse ja Inteli tootmistähistel. Nende võime viia need disainilahendused laborist tehasepõrandale määrab ära selle, millal see läbimurre tegelikult teie kätte jõuab.

Allikad:
IBM Newsroom Official Press Release
IBM Research Blog Technical Deep Dive
Rapidus Corporation Manufacturing Roadmap 2027
SemiEngineering Analysis on Angstrom-Era Lithography