Чип IBM со 100 млрд транзисторов: как работает двухслойная архитектура

IBM представила чип, который устанавливает новый рекорд: 100 миллиардов транзисторов на одном кристалле. Это вдвое больше, чем у самых передовых чипов, выпускаемых сегодня. Достижение стало возможным благодаря технологии, которая размещает транзисторы не только на одном слое кремния, а в двух уровнях — вертикально друг над другом. Такой подход позволяет обойти физические ограничения традиционного масштабирования и открывает путь к более плотным и энергоэффективным процессорам.

Рекордный чип IBM: как работает двухслойная архитектура

Традиционно транзисторы размещаются в один слой на поверхности кремниевой пластины. IBM применила иной подход: транзисторы располагаются в два слоя, соединённых вертикальными межслойными переходами. Это позволяет удвоить плотность размещения без уменьшения самих транзисторов. В новом чипе используется технология nanosheet (нанослой), при которой транзисторы имеют форму вертикальных пластин. Второй слой транзисторов размещается поверх первого с помощью процесса, названного «последовательной интеграцией». При этом второй слой изготавливается при более низких температурах, чтобы не повредить уже созданные структуры нижнего слоя.

Чип изготовлен по техпроцессу 2-нанометрового класса, но ключевой прирост плотности даёт не столько уменьшение размеров, сколько вертикальная укладка. По словам разработчиков, такой подход позволяет обойти физические ограничения, с которыми сталкивается традиционное масштабирование.

Предыстория и контекст: почему это важно

Закон Мура, предсказывающий удвоение числа транзисторов каждые два года, в последние десятилетия замедлился: физические ограничения делают дальнейшее уменьшение размеров всё более сложным и дорогим. Производители чипов, такие как TSMC и Samsung, уже перешли на 3-нанометровые и 2-нанометровые техпроцессы, но дальнейшее сжатие сталкивается с проблемами квантового туннелирования и тепловыделения. IBM в своём новом чипе демонстрирует альтернативный путь — не уменьшать транзисторы, а укладывать их в несколько этажей. Это может продлить действие закона Мура на новое десятилетие.

Ранее IBM уже представляла прототипы 2-нанометровых чипов в 2021 году, но тогда речь шла об однослойной архитектуре. Новый чип — это эволюция той технологии с добавлением вертикальной интеграции. Компания не раскрывает точные характеристики энергопотребления и производительности, но утверждает, что чип работает и проходит тестирование.

Чем отличается новый чип от обычных процессоров?

Главное отличие — двухслойная архитектура. В современных процессорах все транзисторы находятся в одной плоскости, что ограничивает плотность. В новом чипе IBM транзисторы расположены в два этажа, соединённые вертикальными каналами. Это позволяет удвоить число транзисторов без уменьшения их размера. Технология изготовления второго слоя требует точного контроля температуры, чтобы не расплавить нижний слой. IBM использовала низкотемпературный процесс осаждения, который позволяет создавать второй слой без повреждения первого.

Технические подробности: как создаётся двухслойный чип

Для создания второго слоя транзисторов IBM применила метод, называемый «последовательная 3D-интеграция». Сначала на кремниевой подложке формируется первый слой транзисторов по технологии nanosheet. Затем поверх него наносится изолирующий слой диоксида кремния, в котором создаются вертикальные отверстия для межслойных соединений. После этого при температуре не выше 400 градусов Цельсия осаждается слой поликремния, в котором формируются транзисторы второго слоя. Такая низкая температура критична, чтобы не нарушить легирование и структуру нижнего слоя.

IBM утверждает, что плотность транзисторов в новом чипе достигает 1 триллиона на квадратный сантиметр — это в два раза больше, чем у современных 2-нанометровых чипов. При этом энергопотребление на транзистор остаётся на уровне лучших образцов. Сложность производства возрастает, но IBM считает, что технология может быть масштабирована для промышленного выпуска в ближайшие 5–10 лет.

Кого затронет и как

Новый подход IBM имеет значение для всех, кто использует высокопроизводительные вычисления: от дата-центров до суперкомпьютеров и мобильных устройств. Удвоение числа транзисторов при том же энергопотреблении означает, что процессоры смогут выполнять больше операций в секунду без увеличения нагрева. Для разработчиков AI-моделей это означает возможность запускать более сложные нейросети на локальных устройствах. Для облачных провайдеров — снижение затрат на охлаждение и энергопитание.

Однако до коммерческого внедрения пройдут годы. IBM, как правило, лицензирует свои технологии другим производителям, таким как Samsung и Intel. Если двухслойная архитектура будет внедрена в массовое производство, это может изменить баланс сил на рынке полупроводников. В России и СНГ прямых последствий пока нет, но развитие этой технологии может снизить зависимость от импортных чипов в долгосрочной перспективе, если отечественные производители смогут освоить аналогичные процессы.

Что будет дальше

IBM планирует продолжить тестирование чипа и оптимизацию технологии. Компания ожидает, что первые коммерческие продукты на основе двухслойной архитектуры появятся не ранее 2028–2030 годов. Важным этапом станет передача технологии партнёрам — производителям чипов. Параллельно другие компании, такие как TSMC и Intel, также разрабатывают свои версии 3D-интеграции транзисторов, что может привести к появлению конкурирующих решений. Если технология подтвердит свою надёжность и экономическую эффективность, она может стать стандартом для будущих поколений процессоров.

Итог

Чип IBM со 100 миллиардами транзисторов — это демонстрация того, что закон Мура может быть продолжен не только за счёт уменьшения размеров, но и за счёт вертикальной укладки. Технология двухслойных транзисторов открывает путь к ещё более плотным и энергоэффективным процессорам. Хотя до массового производства ещё далеко, этот прототип показывает направление, в котором движется индустрия полупроводников.