Ieskats Ņujorkas laboratorijā, kur IBM samazina pasauli līdz septiņiem angstremem

Katru reizi, kad pieskaraties ekrānam, lai atvērtu lietotni, klusa mikroskopisku slēdžu armija pārslēdzas, lai izpildītu jūsu pieprasījumu. Šie slēdži ir tranzistori, un tie ir sasnieguši tik mazu izmēru, ka atomi ir vienīgais atlikušais mēraukla. IBM nesen paziņoja par izrāvienu šajā neredzamajā pasaulē, saražojot funkcionējošu 0,7 nanometru mikroshēmu. Lai sasniegtu šādu mērogu, uzņēmums atteicās no tradicionālā plakanā dizaina un pievērsās vertikālam izkārtojumam, ko sauc par "nanostack". Šī arhitektūra ietilpina gandrīz 100 miljardus tranzistoru telpā, kas nav lielāka par cilvēka nagu.

Atomu sakraušana, lai pārvarētu fizikas robežas

0,7 nanometru mikroshēmas izveide sākas ar neapstrādātu silīcija plāksni. Šī plāksne tiek pakļauta procesam, kurā gaisma izgriež ceļus elektrībai. Jaunajā nanostack dizainā inženieri sakrauj trīs silīcija loksnes, lai izveidotu vienu tranzistoru. Katra loksne ir tikai 15 atomu bieza. Šīs kaudzes atrodas viena virs otras, lai ietaupītu vietu uz mikroshēmas. Vietas taupīšana ļauj nodrošināt lielāku komponentu blīvumu. Lielāks komponentu blīvums nodrošina lielāku apstrādes jaudu, nepalielinot aparatūras fizisko izmēru.

Vēsturiski mikroshēmu progress gāja pa plakanu ceļu. Projektētāji izvietoja tranzistorus blakus vienu otram kā mājas piepilsētas rajonā. Tā kā šīs mājas kļuva mazākas, nozarei pietrūka zemes. IBM jaunā pieeja ir digitālais ekvivalents debesskrāpja būvniecībai. Izvietojot tranzistorus vertikāli, uzņēmums tajā pašā platībā ietilpina divreiz vairāk detaļu nekā iepriekšējā 2 nanometru dizainā. Šī pāreja uz 7 angstremem, kas ir 0,7 nanometri, iezīmē pirmo reizi, kad uzņēmums ir veiksmīgi pārvarējis 1 nanometra barjeru funkcionālā testa mikroshēmā.

100 miljardu tranzistoru mikroshēmas ģeometrija

Zem pārsega nanostack arhitektūra balstās uz slāņu sēriju, kas ir aptuveni piecus nanometrus biezi. Katru no šiem slāņiem šķir deviņu nanometru sprauga. Vidējam lietotājam šos skaitļus ir grūti vizualizēt, jo tie ir mazāki par cilvēka DNS pavedienu. Ja nags būtu pilsētas lielumā, viens no šiem tranzistoriem būtu maza oļa lielumā uz ietves.

Šis blīvums ir pamats nākamās paaudzes skaitļošanai. Mikroshēmas ir mūsdienu ekonomikas digitālā jēlnafta, un to efektivitāte nosaka, cik daudz mēs varam paveikt ar savām ierīcēm. Kad nelielā platībā tiek ietilpināti 100 miljardi tranzistoru, elektrības mērotais attālums kļūst īsāks. Īsāks attālums nozīmē mazāku siltumu un ātrāku reakcijas laiku. Sistēmiskā pāreja uz vertikālo sakraušanu ir praktiska atbilde uz faktu, ka mēs sasniedzam fiziskās robežas tam, cik plāns var būt viens silīcija slānis.

Izvēle starp akumulatora darbības laiku un apstrādes ātrumu

IBM apgalvo, ka šis jaunais dizains sniedz ražotājiem izvēli. Viņi var izmantot papildu tranzistorus, lai sasniegtu par 50 procentiem lielāku veiktspēju vai par 70 procentiem lielāku energoefektivitāti. Tas ir kompromiss, kas noteiks patēriņa elektroniku nākamajā desmitgadē. Praktiski runājot, 70 procentu efektivitātes lēciens nozīmē, ka jūsu viedtālrunis varētu darboties četras dienas bez uzlādes. Turpretim 50 procentu veiktspējas pieaugums ļautu mobilajām ierīcēm veikt sarežģītus uzdevumus, kam pašlaik nepieciešams galddators.

Lielākajai daļai lietotāju energoefektivitāte ir taustāmāks ieguvums. Mūsdienu lietotnes un mākslīgā intelekta funkcijas ir nepastāvīgi enerģijas patērētāji. Tie izlādē akumulatorus vēl nebijušā ātrumā, jo tiem nepieciešami nepārtraukti aprēķini. Mikroshēma, kas veic vairāk darba ar mazāku elektroenerģijas daudzumu, ir noturīgs risinājums īsa akumulatora darbības laika problēmai. Šī efektivitāte ir arī makrolīmeņa ilgtspējības jautājums. Datu centri patērē milzīgu daudzumu enerģijas, lai darbinātu internetu, un to enerģijas vajadzību samazinājums par 70 procentiem atstātu sistēmisku ietekmi uz globālo elektroenerģijas pieprasījumu.

Plaisas pārvarēšana starp laboratoriju un rūpnīcu

Laboratorijas izrāviena pārvēršana produktā, ko varat iegādāties, ir lēns un dārgs process. Ceļš no IBM pētniecības centra Olbanijā līdz patērētāja ierīcei ietver vairākus nozares slāņus. Pirmkārt, dizainam jānonāk lietuvē. Lietuves ir milzīgas rūpnīcas, kas drukā mikroshēmas uz silīcija. IBM šīs rūpnīcas nepieder. Tā vietā viņi sadarbojas ar tādiem uzņēmumiem kā Rapidus Japānā, lai šos dizainus ieviestu tirgū.

Raugoties uz kopējo ainu, šīs tehnoloģijas laika grafiks ir optimistisks. IBM lēš, ka masveida ražošanai būs nepieciešami pieci gadi. Tas nozīmē, ka mēs varētu redzēt 0,7 nanometru mikroshēmas premium klases klēpjdatoros vai tālruņos ap 2031. gadu. Tomēr nozare joprojām strādā, lai apgūtu 2 nanometru procesu. Rapidus plāno sākt 2 nanometru ražošanu 2027. gada beigās. Pāreja no 2 nanometriem uz 0,7 nanometriem prasa pilnīgu ražošanas iekārtu kapitālo remontu. Mašīnas, kas iegravē šos rakstus, izmanto ekstremālu ultravioleto gaismu un katra maksā simtiem miljonu dolāru. Šīs izmaksas galu galā nonāk pie patērētāja augstāku cenu veidā par vadošajām ierīcēm.

Mikroskopiskas precizitātes augstās izmaksas

Tirgus pusē izmaksas par mikroshēmu izstrādi zem 1 nanometra kļūst par šķērsli daudziem uzņēmumiem. Tikai dažiem spēlētājiem ir kapitāls, lai piedalītos šajās sacensībās. Šāda varas koncentrācija padara piegādes ķēdi nepārredzamāku un mazāk decentralizētu. Kad tikai viena vai divas rūpnīcas pasaulē var izgatavot vismodernāko silīciju, jebkādi traucējumi šajās vietās ietekmē globālo ekonomiku.

No patērētāja viedokļa tas nozīmē, ka plaisa starp budžeta tālruņiem un augstākās klases tālruņiem, visticamāk, paplašināsies. Premium līmenim būs pieejami 7 angstremu nanostack ar neticamu akumulatora darbības laiku. Vidējā līmeņa tirgus, visticamāk, ilgāku laiku paliks pie vecākiem, lētākiem mezgliem. Tas ir ciklisks modelis tehnoloģijās, taču ražošanas ekstremālās grūtības zem 1 nanometra padara šo plaisu pastāvīgāku.

Ko tas nozīmē jūsu nākamajai ierīcei

Ikdienas dzīvē nanostack tehnoloģijas ienākšana mainīs to, kā mēs mijiedarbojamies ar portatīvajām tehnoloģijām. Pašlaik mēs atrodamies periodā, kad aparatūras veiktspēja daudziem pamatuzdevumiem ir sasniegusi plato. Pirms trim gadiem ražots viedtālrunis šķiet ļoti līdzīgs mūsdienu viedtālrunim. 0,7 nanometru izrāviens pārtrauc šo plato. Tas nodrošina mērogojamu ceļu nākamajiem desmit inovāciju gadiem.

Vidējam lietotājam "Un kas par to?" filtrs iesaka divus galvenos secinājumus. Pirmkārt, akumulatoru tehnoloģija nav vienīgais veids, kā iegūt ilgāku tālruņa darbības laiku. Ja mikroshēma patērē par 70 procentiem mazāk enerģijas, akumulators efektīvi kļūst lielāks, nemainot tā izmēru. Otrkārt, izmaksas par palikšanu tehnoloģiju virsotnē pieaug. Tā kā inženierija kļūst sarežģītāka, galaprodukta cena atspoguļo miljardiem dolāru, kas iztērēti pētniecībai.

Galu galā IBM paziņojums ir signāls, ka silīcija laikmets nav beidzies. Pastāvēja bažas, ka mēs nevarēsim iet mazāk par 2 nanometriem, nesaskaroties ar subatomisko daļiņu haotisko uzvedību. Nanostack arhitektūra ir gudrs veids, kā turpināt nozares virzību uz priekšu. Tā izmanto vertikālo telpu, lai apietu horizontālās platības ierobežojumus. Šī attīstība nodrošina, ka datori turpinās kļūt spējīgāki pārskatāmā nākotnē.

Praktiska tālredzība digitālajam patērētājam

Tā vietā, lai nākamgad gaidītu 0,7 nanometru tālruni, apskatiet savus pašreizējos digitālos paradumus. Pāreja uz augstāku efektivitāti ir atgādinājums, ka visspēcīgākais rīks jūsu kabatā ir neredzamas rūpnieciskās mehānikas rezultāts. Tā kā šīs mikroshēmas kļūst jaudīgākas, tās kļūst arī specializētākas. Pērkot nākamo ierīci, prioritāte ir energoefektivitātes rādītājiem, nevis tikai neapstrādātam takts ātrumam. Tehnoloģiju nākamo desmitgadi uzvarēs ierīces, kas paliek ieslēgtas visilgāk, nevis tikai tās, kas veic aprēķinus visātrāk. Sekojiet līdzi Rapidus un Intel ražošanas atskaites punktiem. Viņu spēja pārvietot šos dizainus no laboratorijas uz rūpnīcas grīdu noteiks to, kad šis izrāviens faktiski nonāks jūsu rokās.

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