Niujorko laboratorijos viduje, kur IBM mažina pasaulį iki septynių angstremų

Kiekvieną kartą, kai paliečiate ekraną, kad atidarytumėte programėlę, tyli mikroskopinių jungiklių armija persijungia, kad įvykdytų jūsų užklausą. Šie jungikliai yra tranzistoriai, ir jie pasiekė tokį mažą dydį, kad atomai liko vienintelis matavimo matas. IBM neseniai paskelbė apie proveržį šiame nematomame pasaulyje, pagaminusi veikiantį 0,7 nanometro lustą. Norėdama pasiekti šį mastelį, bendrovė atsisakė tradicinių plokščių konstrukcijų ir perėjo prie vertikalaus išdėstymo, vadinamo „nanostack“. Ši architektūra talpina beveik 100 milijardų tranzistorių į erdvę, ne didesnę už žmogaus nagą.

Atomų sluoksniavimas siekiant įveikti fizikos ribas

0,7 nanometro lustas pradedamas gaminti nuo gryno silicio plokštelės. Šiai plokštelei taikomas procesas, kurio metu šviesa išraižo takus elektrai. Naujojoje „nanostack“ konstrukcijoje inžinieriai sudeda tris silicio lakštus, kad suformuotų vieną tranzistorių. Kiekvienas lakštas yra tik 15 atomų storio. Šios krūvos išdėstytos viena ant kitos, kad būtų sutaupyta vietos luste. Vietos taupymas leidžia pasiekti didesnį komponentų tankį. Didesnis komponentų tankis suteikia daugiau skaičiavimo galios nedidinant fizinio techninės įrangos dydžio.

Istoriškai lustų pažanga vyko plokščiu keliu. Projektuotojai tranzistorius išdėstydavo vieną šalia kito, kaip namus priemiesčio kvartale. Kai tie namai tapo mažesni, pramonei pritrūko žemės. Naujasis IBM požiūris yra skaitmeninis dangoraižio statybos atitikmuo. Išdėstydama tranzistorius vertikaliai, bendrovė tame pačiame plote sutalpina dvigubai daugiau dalių nei ankstesnėje 2 nanometrų konstrukcijoje. Šis perėjimas prie 7 angstremų, o tai yra 0,7 nanometro, žymi pirmą kartą, kai įmonė sėkmingai peržengė 1 nanometro barjerą funkciniame bandomajame luste.

100 milijardų tranzistorių lusto geometrija

Žvelgiant giliau, „nanostack“ architektūra remiasi sluoksnių serija, kurių storis yra maždaug penki nanometrai. Kiekvieną iš šių sluoksnių skiria devynių nanometrų tarpas. Vidutiniam vartotojui šiuos skaičius sunku įsivaizduoti, nes jie yra mažesni už žmogaus DNR giją. Jei nagas būtų miesto dydžio, vienas iš šių tranzistorių būtų mažo akmenuko dydžio ant šaligatvio.

Šis tankis yra pagrindas naujos kartos skaičiavimams. Mikroschemos yra šiuolaikinės ekonomikos skaitmeninė žalia nafta, o jų efektyvumas lemia, kiek daug galime nuveikti su savo įrenginiais. Kai į mažą plotą sutalpinama 100 milijardų tranzistorių, atstumas, kurį nukeliauja elektra, sutrumpėja. Trumpesni atstumai reiškia mažiau šilumos ir greitesnį reakcijos laiką. Sisteminis perėjimas prie vertikalaus sluoksniavimo yra praktinis atsakas į tai, kad pasiekiame fizines ribas, koks plonas gali būti vienas silicio sluoksnis.

Pasirinkimas tarp baterijos veikimo laiko ir procesoriaus greičio

IBM teigia, kad ši nauja konstrukcija suteikia gamintojams pasirinkimą. Jie gali naudoti papildomus tranzistorius, kad pasiektų 50 procentų didesnį našumą arba 70 procentų didesnį energijos vartojimo efektyvumą. Tai yra kompromisas, kuris apibrėš vartotojų elektroniką kitą dešimtmetį. Praktiškai kalbant, 70 procentų šuolis efektyvumo srityje reiškia, kad jūsų išmanusis telefonas be įkrovimo galėtų veikti keturias dienas. Ir priešingai, 50 procentų našumo padidėjimas leistų mobiliesiems įrenginiams atlikti sudėtingas užduotis, kurioms šiuo metu reikalingas stalinis kompiuteris.

Daugumai vartotojų energijos vartojimo efektyvumas yra apčiuopiamesnė nauda. Šiuolaikinės programėlės ir dirbtinio intelekto funkcijos sunaudoja itin daug energijos. Jos eikvoja baterijas precedento neturinčiu greičiu, nes joms reikalingi nuolatiniai skaičiavimai. Lustas, kuris atlieka daugiau darbo su mažesniu elektros kiekiu, yra atsparus sprendimas trumpos baterijos veikimo trukmės problemai spręsti. Šis efektyvumas taip pat yra makrolygio tvarumo klausimas. Duomenų centrai sunaudoja milžiniškus energijos kiekius internetui palaikyti, o 70 procentų jų energijos poreikio sumažinimas turėtų sisteminį poveikį pasaulinei elektros paklausai.

Atotrūkio tarp laboratorijos ir gamyklos mažinimas

Laboratorijos proveržio pavertimas produktu, kurį galite nusipirkti, yra lėtas ir brangus procesas. Kelias nuo IBM tyrimų centro Olbanyje iki vartotojų įrenginio apima kelis pramonės sluoksnius. Pirmiausia projektas turi patekti į liejyklą. Liejyklos yra masyvios gamyklos, kurios spausdina lustus ant silicio. IBM šių gamyklų neturi. Vietoj to, jie bendradarbiauja su tokiomis įmonėmis kaip „Rapidus“ Japonijoje, kad pateiktų šiuos projektus rinkai.

Žvelgiant į bendrą vaizdą, šios technologijos laiko juosta yra optimistinė. IBM prognozuoja, kad masinė gamyba prasidės po penkerių metų. Tai reiškia, kad 0,7 nanometro lustus aukščiausios klasės nešiojamuosiuose kompiuteriuose ar telefonuose galime išvysti apie 2031 m. Tačiau pramonė vis dar stengiasi įvaldyti 2 nanometrų procesą. „Rapidus“ planuoja pradėti 2 nanometrų gamybą 2027 m. pabaigoje. Perėjimui nuo 2 nanometrų prie 0,7 nanometro reikia visiškai atnaujinti gamybos įrangą. Mašinos, kurios išraižo šiuos raštus, naudoja ekstremalią ultravioletinę šviesą ir kiekviena kainuoja šimtus milijonų dolerių. Šios išlaidos galiausiai pasiekia vartotoją didesnių pavyzdinių įrenginių kainų pavidalu.

Didelė mikroskopinio tikslumo kaina

Rinkos pusėje mažesnių nei 1 nanometro lustų kūrimo kaina tampa kliūtimi daugeliui įmonių. Tik keli žaidėjai turi kapitalo dalyvauti šiose lenktynėse. Ši galios koncentracija daro tiekimo grandinę ne tokią skaidrią ir mažiau decentralizuotą. Kai tik viena ar dvi gamyklos pasaulyje gali gaminti pažangiausią silicį, bet koks sutrikimas tose vietose paveikia pasaulinę ekonomiką.

Vartotojo požiūriu tai reiškia, kad atotrūkis tarp pigių ir aukščiausios klasės telefonų tikriausiai didės. Aukščiausios klasės segmentas turės prieigą prie 7 angstremų „nanostacks“ su neįtikėtinu baterijos veikimo laiku. Vidutinės klasės rinka tikriausiai ilgiau išliks prie senesnių, pigesnių mazgų. Tai cikliškas technologijų dėsningumas, tačiau ypatingas mažesnės nei 1 nanometro gamybos sudėtingumas daro šią atskirtį nuolatinę.

Ką tai reiškia jūsų kitam įrenginiui

Kasdieniniame gyvenime „nanostack“ technologijos atsiradimas pakeis mūsų sąveiką su nešiojamąja technika. Šiuo metu išgyvename laikotarpį, kai techninės įrangos našumas daugeliui pagrindinių užduočių pasiekė plynaukštę. Prieš trejus metus išleistas išmanusis telefonas atrodo labai panašus į šiandieninį. 0,7 nanometro proveržis pralaužia šią plynaukštę. Jis suteikia mastelį ateinantiems dešimčiai inovacijų metų.

Vidutiniam vartotojui kyla klausimas „Ir kas iš to?“. Galima išskirti dvi pagrindines išvadas. Pirma, baterijų technologija nėra vienintelis būdas pailginti telefono veikimo laiką. Jei lustas sunaudoja 70 procentų mažiau energijos, baterija efektyviai tampa didesnė, nekeičiant jos dydžio. Antra, kaina už buvimą technologijų priešakyje kyla. Kadangi inžinerija tampa sudėtingesnė, galutinio produkto kaina atspindi milijardus dolerių, išleistų tyrimams.

Galiausiai, IBM pranešimas yra signalas, kad silicio amžius dar nesibaigė. Buvo baiminamasi, kad negalėsime pasiekti mažesnių nei 2 nanometrų matmenų nesusidūrę su chaotišku subatominių dalelių elgesiu. „Nanostack“ architektūra yra protingas būdas išlaikyti pramonės judėjimą į priekį. Ji naudoja vertikalią erdvę, kad apeitų horizontaliojo ploto apribojimus. Ši plėtra užtikrina, kad kompiuteriai ir toliau taps vis galingesni artimiausioje ateityje.

Praktinė įžvalga skaitmeniniam vartotojui

Užuot laukę 0,7 nanometro telefono kitais metais, pažvelkite į savo dabartinius skaitmeninius įpročius. Perėjimas prie didesnio efektyvumo primena, kad galingiausias įrankis jūsų kišenėje yra nematomos pramoninės mechanikos rezultatas. Kai šie lustai tampa galingesni, jie taip pat tampa labiau specializuoti. Pirkdami kitą įrenginį, teikite pirmenybę energijos vartojimo efektyvumo reitingams, o ne grynam taktiniam dažniui. Kitą technologijų dešimtmetį laimės tie įrenginiai, kurie ilgiausiai išliks įjungti, o ne tik tie, kurie skaičiuoja greičiausiai. Stebėkite „Rapidus“ ir „Intel“ gamybos etapus. Jų gebėjimas perkelti šiuos projektus iš laboratorijos į gamyklą nulems, kada šis proveržis iš tikrųjų pasieks jūsų rankas.

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