Wewnątrz nowojorskiego laboratorium, w którym IBM zmniejsza świat do siedmiu angstremów

Za każdym razem, gdy dotykasz ekranu, aby otworzyć aplikację, cicha armia mikroskopijnych przełączników przestawia się, by spełnić Twoją prośbę. Te przełączniki to tranzystory, które osiągnęły rozmiary tak małe, że jedynym pozostałym punktem odniesienia są atomy. Firma IBM ogłosiła niedawno przełom w tym niewidzialnym świecie, produkując funkcjonujący układ o rozmiarze 0,7 nanometra. Aby osiągnąć tę skalę, firma odeszła od tradycyjnych płaskich konstrukcji na rzecz pionowego układu zwanego nanostack (nanostos). Taka architektura pozwala upakować blisko 100 miliardów tranzystorów na powierzchni nie większej niż ludzki paznokieć.

Układanie atomów w stosy, by pokonać granice fizyki

Układ 0,7 nanometra powstaje na surowym waflu krzemowym. Wafel ten poddawany jest procesowi, w którym światło wycina ścieżki dla energii elektrycznej. W nowym projekcie nanostack inżynierowie układają trzy arkusze krzemu jeden na drugim, tworząc pojedynczy tranzystor. Każdy arkusz ma grubość zaledwie 15 atomów. Stosy te spoczywają na sobie, aby zaoszczędzić miejsce na powierzchni chipu. Oszczędność miejsca pozwala na większą gęstość komponentów. Wyższa gęstość zapewnia większą moc obliczeniową bez zwiększania fizycznego rozmiaru sprzętu.

Historycznie postęp w dziedzinie chipów odbywał się na płaszczyźnie. Projektanci układali tranzystory obok siebie, niczym domy na przedmieściach. Gdy domy te stawały się coraz mniejsze, w branży zaczęło brakować miejsca. Nowe podejście IBM jest cyfrowym odpowiednikiem budowy wieżowca. Dzięki pionowemu rozmieszczeniu tranzystorów, firma mieści dwa razy więcej części na tej samej powierzchni, co w przypadku poprzedniego projektu 2 nanometry. Przejście na 7 angstremów (czyli 0,7 nanometra) to pierwszy przypadek, gdy firmie udało się przekroczyć barierę 1 nanometra w funkcjonalnym chipie testowym.

Geometria układu ze 100 miliardami tranzystorów

Pod maską architektura nanostack opiera się na serii warstw o grubości około pięciu nanometrów. Każdą z tych warstw oddziela przerwa wynosząca dziewięć nanometrów. Dla przeciętnego użytkownika liczby te są trudne do wyobrażenia, ponieważ są mniejsze niż nić ludzkiego DNA. Gdyby paznokieć był wielkości miasta, jeden z tych tranzystorów miałby rozmiar małego kamyka na chodniku.

Ta gęstość jest fundamentem dla następnej generacji komputerów. Mikrochipy są cyfrową ropą naftową nowoczesnej gospodarki, a ich wydajność dyktuje to, jak wiele możemy osiągnąć za pomocą naszych urządzeń. Kiedy upakujesz 100 miliardów tranzystorów na maleńkim obszarze, dystans, jaki pokonuje prąd, staje się krótszy. Krótsze dystanse oznaczają mniej ciepła i szybszy czas reakcji. Systemowe przejście w stronę pionowego układania jest praktyczną odpowiedzią na fakt, że docieramy do fizycznych granic tego, jak cienka może być pojedyncza warstwa krzemu.

Wybór między żywotnością baterii a szybkością procesora

IBM twierdzi, że ten nowy projekt daje producentom wybór. Mogą oni wykorzystać dodatkowe tranzystory, aby uzyskać o 50 procent większą wydajność lub o 70 procent większą efektywność energetyczną. Jest to kompromis, który zdefiniuje elektronikę użytkową na następną dekadę. W praktyce 70-procentowy skok wydajności oznacza, że Twój smartfon mógłby pracować cztery dni bez ładowania. Z kolei 50-procentowy wzrost wydajności pozwoliłby urządzeniom mobilnym na obsługę złożonych zadań, które obecnie wymagają komputera stacjonarnego.

Dla większości użytkowników efektywność energetyczna jest bardziej namacalną korzyścią. Nowoczesne aplikacje i funkcje AI są energochłonne. Zużywają baterie w niespotykanym dotąd tempie, ponieważ wymagają ciągłych obliczeń. Chip, który wykonuje więcej pracy przy mniejszym zużyciu energii, jest odpornym rozwiązaniem problemu krótkiej żywotności baterii. Ta efektywność to także kwestia zrównoważonego rozwoju na poziomie makro. Centra danych zużywają ogromne ilości energii do obsługi internetu, a 70-procentowa redukcja ich zapotrzebowania na energię miałaby systemowy wpływ na globalny popyt na elektryczność.

Most między laboratorium a fabryką

Przekształcenie przełomu laboratoryjnego w produkt, który można kupić, jest procesem powolnym i kosztownym. Droga z centrum badawczego IBM w Albany do urządzenia konsumenckiego wiedzie przez kilka warstw przemysłowych. Najpierw projekt musi trafić do odlewni (foundry). Odlewnie to potężne fabryki, które drukują chipy na krzemie. IBM nie posiada tych fabryk. Zamiast tego współpracuje z firmami takimi jak Rapidus w Japonii, aby wprowadzić te projekty na rynek.

Patrząc na szerszy obraz, harmonogram dla tej technologii jest optymistyczny. IBM szacuje pięć lat do masowej produkcji. Oznacza to, że chipy 0,7 nanometra możemy zobaczyć w laptopach premium lub telefonach około 2031 roku. Jednak branża wciąż pracuje nad opanowaniem procesu 2 nanometrów. Rapidus planuje rozpocząć produkcję 2 nm pod koniec 2027 roku. Przejście z 2 nanometrów na 0,7 nanometra wymaga całkowitej modernizacji sprzętu produkcyjnego. Maszyny, które wytrawiają te wzory, wykorzystują ekstremalne światło ultrafioletowe i kosztują setki milionów dolarów każda. Koszty te ostatecznie przenoszą się na konsumenta w postaci wyższych cen flagowych urządzeń.

Wysoki koszt mikroskopijnej precyzji

Od strony rynkowej koszt opracowania chipów poniżej 1 nanometra staje się barierą dla wielu firm. Tylko kilku graczy dysponuje kapitałem pozwalającym na udział w tym wyścigu. Ta koncentracja władzy sprawia, że łańcuch dostaw staje się mniej przejrzysty i mniej zdecentralizowany. Gdy tylko jedna lub dwie fabryki na świecie mogą produkować najbardziej zaawansowany krzem, jakiekolwiek zakłócenia w tych miejscach wpływają na globalną gospodarkę.

Z punktu widzenia konsumenta oznacza to, że przepaść między budżetowymi a wysokiej klasy telefonami prawdopodobnie się pogłębi. Segment premium będzie miał dostęp do nanostosów 7 angstremów z niesamowitą żywotnością baterii. Rynek średniej klasy prawdopodobnie pozostanie przy starszych, tańszych węzłach przez dłuższy czas. Jest to cykliczny wzorzec w technologii, ale ekstremalna trudność produkcji poniżej 1 nanometra sprawia, że ten podział staje się bardziej trwały.

Co to oznacza dla Twojego następnego urządzenia

W codziennym życiu pojawienie się technologii nanostack zmieni sposób, w jaki wchodzimy w interakcję z technologią przenośną. Obecnie znajdujemy się w okresie, w którym wydajność sprzętu osiągnęła stabilizację w wielu podstawowych zadaniach. Smartfon sprzed trzech lat wydaje się bardzo podobny do dzisiejszego. Przełom 0,7 nanometra przełamuje ten zastój. Zapewnia skalowalną ścieżkę dla innowacji na najbliższe dziesięć lat.

Dla przeciętnego użytkownika najważniejsze są dwa wnioski. Po pierwsze, technologia baterii nie jest jedynym sposobem na wydłużenie czasu pracy telefonu. Jeśli chip zużywa o 70 procent mniej energii, bateria staje się efektywnie większa bez zmiany swoich fizycznych wymiarów. Po drugie, koszt pozostawania na szczycie technologicznym rośnie. W miarę jak inżynieria staje się bardziej złożona, cena końcowego produktu odzwierciedla miliardy dolarów wydane na badania.

Ostatecznie ogłoszenie IBM jest sygnałem, że era krzemu się nie skończyła. Istniała obawa, że nie uda nam się zejść poniżej 2 nanometrów bez napotkania chaotycznego zachowania cząstek subatomowych. Architektura nanostack to sprytny sposób na utrzymanie postępu w branży. Wykorzystuje przestrzeń pionową, aby obejść ograniczenia powierzchni poziomej. Rozwój ten gwarantuje, że komputery będą stawać się coraz bardziej wydajne w dającej się przewidzieć przyszłości.

Praktyczna przewidywalność dla cyfrowego konsumenta

Zamiast czekać na telefon 0,7 nanometra w przyszłym roku, przyjrzyj się swoim obecnym nawykom cyfrowym. Przejście w stronę wyższej wydajności przypomina, że najpotężniejsze narzędzie w Twojej kieszeni jest wynikiem niewidzialnej mechaniki przemysłowej. W miarę jak chipy te stają się potężniejsze, stają się również bardziej wyspecjalizowane. Kupując następne urządzenie, priorytetowo traktuj wskaźniki efektywności energetycznej nad surową prędkością taktowania zegara. Następną dekadę technologii wygrają urządzenia, które najdłużej pozostaną włączone, a nie tylko te, które najszybciej liczą. Śledź kamienie milowe produkcji firm Rapidus i Intel. Ich zdolność do przeniesienia tych projektów z laboratorium na halę fabryczną określi, kiedy ten przełom faktycznie trafi do Twoich rąk.

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