Магия в ангстремах: IBM создала транзисторы размером 0,7 нм — чип вместит 100 миллиардов штук

Впервые в истории учёные смогли разработать компьютерные чипы с транзисторами размером менее одного нанометра. Новая архитектура под названием NanoStack, сделавшая это возможным, однажды позволит создавать транзисторы величиной всего в 0,1 нм, утверждают исследователи.

Новые 0,7-нанометровые транзисторы значительно меньше тех, что используются в стандартных 2-нанометровых полупроводниковых чипах, установленных в суперкомпьютерах, системах искусственного интеллекта и передовых графических процессорах. Хотя обозначение размера не всегда точно соотносится с реальными измерениями транзисторов на чипе, оно отражает их общие возможности.

Суть проста: чем меньше транзисторы и вспомогательные компоненты, тем больше их можно разместить на кристалле. Типовой 2-нм чип, например, вмещает около 50 миллиардов транзисторов на площади размером с человеческий ноготь.

Новый чип оснащён транзисторами настолько крошечными, что их измеряют не в нанометрах, а в ангстремах — единице, обычно применяемой к размерам атомов. Первые образцы таких чипов, как ожидается, получат транзисторы величиной всего в 7 ангстрем — это эквивалент 0,7 нанометра или примерно ширина молекулы глюкозы.

При таком масштабе инженеры смогут уместить почти 100 миллиардов транзисторов на пространстве с ноготь — практически вдвое больше, чем позволяет нынешняя 2-нм платформа.

Стек и шахматный сдвиг

Этого прорыва учёные добились с помощью новой методики под названием «наностекинг», впервые описанной в исследовании, представленном на рецензируемом Симпозиуме по технологиям и схемам СБИС 2025 года и загруженном в июле 2025-го на сервер IEEE Xplore. Метод позволяет вертикально укладывать нанолисты, использовавшиеся при создании предыдущего поколения 2-нм чипов.

Технология, применяемая во всех традиционных схемах, — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник (КМОП) — требует экстремально высоких температур при производстве. По мере уменьшения транзисторов возникают и такие проблемы, как «захват заряда» (когда электроны или дырки застревают на дефектах или примесях) и «утечка затвора» (рассеивание статической мощности). Подобные трудности долгое время мешали уменьшить размер транзисторов ниже 2 нм и, соответственно, повысить производительность и эффективность чипов за пределами сегодняшних возможностей. Трёхмерная многослойная архитектура IBM призвана смягчить эти болевые точки, утверждают разработчики.

«NanoStack — это транзисторы на нанолистах, уложенные друг на друга. Но это не простой монолитный процесс литографии и травления, — пояснил Хуэймин Бу, вице-президент IBM по глобальным исследованиям, разработкам и операциям в Олбани, во время пресс-брифинга. — На самом деле мы укладываем устройство послойно. Я называю это не только стеком, но и шахматным сдвигом. Укладка идёт по вертикали, так что лицевая и тыльная стороны каждого транзистора могут независимо подключаться для сигнала и питания. Сама укладка выполняется методом одинарного диэлектрического соединения — это и есть то ключевое новшество, которое мы разработали».

Представители IBM добавили на брифинге, что новая технология обеспечивает до 50% прироста производительности при снижении энергопотребления на 70% по сравнению с 2-нм платформой — и в течение следующих пяти лет полностью заменит предшественницу.

Ставка на память и искусственный интеллект

По словам учёных, исследование способно глубоко изменить всю вычислительную индустрию, оказав революционное воздействие на сектора искусственного интеллекта и квантовых вычислений.

Одно из ближайших технологических преимуществ — создание более совершенных микросхем статической оперативной памяти (SRAM), применяемых в самых разных областях: от кэширования центральных процессоров и сетевого оборудования до кардиостимуляторов и автомобильных датчиков. SRAM критически важна и для ИИ-обработки, поскольку располагается в непосредственной близости от вычислительных ядер — в отличие от других типов модулей ОЗУ, часто являющихся отдельными компонентами, — что ускоряет перемещение данных внутри систем и снижает узкие места.

Представители IBM сообщили на брифинге, что продемонстрировали 40-процентное улучшение масштабирования памяти SRAM по сравнению с 2-нм платформой. Это станет настоящим подарком для рабочих нагрузок искусственного интеллекта, требующих значительно более высокой пропускной способности и эффективности.

Будущее вычислений

«Мы фактически вступили в область, где полупроводниковое производство — почти магия, — добавил Хуэймин Бу, говоря о процессе проектирования. — Только подумайте о структуре, которую мы здесь строим. Мы наносим слой атом за атомом, и мы наслаиваем их атом за атомом».

Представители IBM подчеркнули, что наностекинг — не скромное обновление, а смена поколений, которая в итоге позволит фабрикам масштабировать чипы от 0,7-нанометровых транзисторов вплоть до одного ангстрема, или всего 0,1 нм, — сохраняя Закон Мура в силе ещё как минимум на какое-то время.

Уменьшение транзисторных узлов на этих чипах обеспечит более мощные процессы благодаря почти двукратному скачку числа транзисторов, а многослойная и смещённая конструкция резко снижает энергозатраты. Как заметил Хуэймин Бу, все требуют производительности, но никто не хочет оплачивать счёт за электричество.

«Эта технология заменит нанолист в качестве сегодняшней мейнстримной платформы на ведущих фабриках — будь то CPU или GPU, — добавил он. — И мы полагаем, что переход произойдёт на отметке примерно 7 ангстрем. Так что в течение десятилетия это станет очередной мейнстримной платформой, которую мы изобрели. Это следующий технологический скачок».

Выводы исследования 2025 года говорят о том, что чипсет не только способен обеспечить значительно более высокую производительность при гораздо меньшем энергопотреблении, но и открывает путь к снижению теплового воздействия мощных вычислений на оборудование.

Эти новшества могут сказаться и на квантовых вычислениях, отметили представители IBM, поскольку они способны привести к улучшению классических систем, с которыми квантовым компьютерам предстоит работать бок о бок по мере развития технологии.

«Для квантовых вычислений нам нужно использовать много классических вычислительных ресурсов, — сказал Джей Гамбетта, директор по исследованиям IBM, на пресс-конференции. — Мы хотим строить декодеры, контроллеры для декодеров и ускорители. И прямо сейчас мы работаем над такими классическими системами на 2-нм платформе. Если мы сможем и дальше менять платформу, использовать более эффективные, более мощные чипсеты, это лишь ускорит темпы создания классических вычислений, сопровождающих квантовые».

Так вычисления преодолевают очередной фундаментальный барьер. Если раньше прогресс упирался в физические пределы кремния, то теперь архитекторы чипов учатся обходить их, выстраивая транзисторы не вширь, а ввысь — слой за слоем, атом за атомом. И судя по всему, магия только начинается.

Источники:
Исследование, представленное на Symposium on VLSI Technology and Circuits 2025 и загруженное на сервер IEEE Xplore (июль 2025); пресс-брифинг IBM с участием Хуэймина Бу и Джея Гамбетты; данные IBM Research о характеристиках архитектуры NanoStack; фотоматериалы IBM.