Архитектура IBM NanoStack помогла ученым встроить в компьютерный чип 100 миллиардов транзисторов, что обеспечивает на 50% лучшую производительность и потребляет на 70% меньше энергии, чем нынешнее поколение.
Квантовые чипы, как известно, «шумные», и помехи нарушают ход вычислений, но ученые хотят допустить больше ошибок, чтобы понять, как от них защититься.(Изображение предоставлено IBM)
Впервые ученым удалось разработать компьютерные чипы с транзисторами размером менее 1 нанометра. По словам ученых, новая архитектура «NanoStack», сделавшая это возможным, однажды позволит создавать транзисторы размером всего 0,1 нм.
Новые транзисторы размером 0,7 нм значительно меньше тех, что используются в стандартных 2-нанометровых полупроводниковых чипах, применяемых в суперкомпьютерах, системах искусственного интеллекта и современных графических процессорах (GPU). Хотя обозначение размера не обязательно соответствует точному количеству транзисторов в чипах, оно отражает их общие возможности.
По сути, чем меньше транзисторы и поддерживающие их компоненты, тем больше их можно разместить на чипе. Например, на чипе с техпроцессом 2 нм можно разместить около 50 миллиардов транзисторов на площади размером с человеческий ноготь.
В новом чипе используются настолько миниатюрные транзисторы, что их размер измеряется не в нанометрах, а в "ангстремах", единице измерения, которая обычно применяется для атомов. Ожидается, что первый из этих чипов будет содержать транзисторы размером всего 7 ангстрем, что эквивалентно 0,7 нанометра или примерно ширине молекулы глюкозы.
При таком размере инженеры смогут разместить почти 100 миллиардов транзисторов на площади размером с ноготь — почти в два раза больше, чем на нынешней 2-нм платформе.
Ученые добились этого с помощью новой технологии под названием «наностекинг», о которой они впервые рассказали в исследовании, опубликованном в рамках рецензируемого Симпозиума по технологии и схемам сверхбольших интегральных схем в 2025 году и загруженном в июле 2025 года на сервер IEEE Xplore. Это позволяет инженерам вертикально укладывать нанолисты, которые использовались для создания компьютерных чипов предыдущего поколения с техпроцессом 2 нм.
Технология, используемая во всех традиционных схемах, — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник (КМОП) — требует чрезвычайно высоких температур при производстве. По мере уменьшения размеров транзисторов возникают такие проблемы, как «захват заряда» — когда электроны или дырки становятся неподвижными из-за дефектов или примесей, — и «утечка через затвор» — статическое рассеивание мощности.
Подобные проблемы препятствовали попыткам уменьшить размер транзисторов до менее чем 2 нм и тем самым повысить производительность и эффективность компьютерных чипов, выйдя за рамки современных возможностей. Однако, по словам ученых, трехмерная архитектура IBM призвана решить некоторые из этих проблем.
«NanoStack — это нанолисты, состоящие из транзисторов, которые накладываются друг на друга. Но это не просто процесс монолитной литографии и травления», — сказал Хуэймин Бу, вице-президент IBM по глобальным исследованиям и разработкам в области полупроводников и по операциям в Олбани, во время пресс-брифинга.
«Здесь мы фактически укладываем устройство друг на друга. Я называю это укладкой, но можно и чередованием». Транзисторы располагаются вертикально, поэтому к передней и задней сторонам каждого транзистора можно независимо подвести сигнал и питание. Транзисторы соединяются с помощью однодиэлектрического соединения, что является ключевым инновационным решением, которое мы разработали.
Представители IBM добавили на брифинге, что новая технология обеспечивает до 50 % более высокую производительность при 70 % меньшем энергопотреблении по сравнению с 2-нм платформой и в конечном итоге полностью заменит эту технологию в течение следующих пяти лет.
По словам ученых, это исследование может иметь серьезные последствия для компьютерной индустрии, оказав революционное влияние на секторы искусственного интеллекта (ИИ) и квантовых вычислений.
Одно из непосредственных технологических преимуществ может заключаться в создании более совершенных микросхем статической оперативной памяти (SRAM), которые используются в различных вычислительных приложениях, в том числе для кэширования данных в процессорах, в сетевых технологиях, а также в таких устройствах, как кардиостимуляторы и автомобильные датчики.
SRAM также играет важную роль в обработке данных искусственным интеллектом, поскольку она расположена близко к вычислительным ядрам (в отличие от других типов модулей оперативной памяти, которые часто представляют собой отдельные компоненты), что увеличивает скорость передачи данных в системе и, следовательно, устраняет узкие места.
Представители IBM на пресс-брифинге сообщили, что им удалось добиться 40-процентного улучшения масштабирования SRAM по сравнению с 2-нм платформой. Это станет большим подспорьем для рабочих процессов искусственного интеллекта, которые требуют гораздо более высокой пропускной способности и эффективности.
Будущее вычислительной техники
"На самом деле мы вступили в область, где производство полупроводников — это почти волшебство," — добавил Хуэймин, рассказывая о процессе проектирования. "Подумайте о структуре, которую мы здесь создаем. На самом деле мы наносим слой за слоем, атом за атомом, и на самом деле мы наносим слой за слоем, атом за атомом.
Представители IBM заявили, что подход с наностекингом — это не незначительное усовершенствование, а смена поколений, которая в конечном итоге позволит производителям масштабировать эти чипы от транзисторов с размером 0,7 нм до одного ангстрема или всего 0,1 нм — закон Мура будет действовать еще какое-то время.
По их словам, уменьшение размеров транзисторных узлов в этих чипах позволит использовать более мощные процессы благодаря почти двукратному увеличению количества транзисторов, а многослойная конструкция со сдвигом значительно снижает энергопотребление. По словам Хуиминга, все хотят высокой производительности, но никто не готов платить за электроэнергию.
«Она заменит нанолисты в качестве основной [платформы] на ведущих литейных предприятиях. Будь то центральный или графический процессор», — добавил он. «Мы считаем, что переход произойдет примерно на уровне 7 ангстрем. Так что в течение десяти лет это станет еще одной основной [платформой], которую мы изобрели. Это следующий технологический скачок».
Результаты исследования 2025 года показывают, что этот чипсет не только может значительно повысить производительность при гораздо меньшем энергопотреблении, но и может помочь снизить тепловое воздействие мощных вычислительных систем на оборудование.
По словам представителей IBM, эти инновации могут повлиять и на квантовые вычисления, поскольку они могут привести к совершенствованию классических систем, с которыми будут взаимодействовать квантовые компьютеры по мере развития технологии.
«Для квантовых вычислений нам нужно использовать большое количество классических вычислительных ресурсов», — заявил на пресс-конференции Джей Гамбетта, директор по исследованиям IBM. «Мы хотим создавать декодеры, контроллеры для декодеров и ускорители. И прямо сейчас мы работаем над этим типом классических вычислений на 2-нм [платформе]». Если мы сможем и дальше менять платформу, использовать более эффективные и мощные [чипсеты], это только ускорит темпы создания классических вычислительных систем, которые будут работать параллельно с квантовыми». Сообщает livescience
.png "Получай новости на почту. Подписаться")