Ačkoliv už IBM nemá vlastní továrny na čipy, stále se podílí na výzkumu v této oblasti. Firma už v roce 2021 oznámila, že se jí podařilo pokusně vyrobit 2nm čipy, byť samozřejmě nešlo o regulérní sériovou výrobu (ta v TSMC běží až nyní). Ve výzkumné aktivitě IBM pokračuje a nyní oznámilo první čipy vyrobené procesem menším než 1 nm – ten je označen jako 7A neboli sedmiångströmový (0,7nm) a je založený na novém typu tranzistoru.
První čip s „pod-nanometrovou“ technologií
IBM představilo přímo hotový pokusný čip vyrobený tímto 0,7nm procesem. Ten je zřejmě tvořen různými testovacími strukturami, nepůjde určitě o praktický SoC pro nějaký účel. Obsahuje prý téměř 100 miliard tranzistorů a dosáhl téměř dvojnásobnou hustotu tranzistorů (přesná čísla sdělena nejsou) proti zmíněnému 2nm čipu z roku 2021.
Co jsou angströmy / co znamená 7 Å?
Angström se značkou Å je méně často používaná jednotka odpovídající přesně jedné desetině nanometru. 7 Å proto znamená 0,7 nm.
Podle IBM by tato technologie měla dosahovat až o 50 % lepší výkon než jeho 2nm čip, případně by mohla být při stejném výkonu o 70 % lepší v energetické efektivitě. Opět je třeba zopakovat, že nejde o technologii, kterou by IBM reálně používalo k výrobě, ale o laboratorní výzkum, který teprve bude muset být někde aplikován, aby došlo na praktické využití.
Wafery s 0,7nm čipy IBM
IBM čip vytvořilo ve své výzkumné lince, kterou provozuje v továrně v Albany v americkém státě New York. IBM mimochodem uvádí, že má být v budoucnu dovybavena strojem pro High-NA EUV litografii od ASML. Z toho vyplývá, že nyní diskutovaný 0,7nm čip ještě je vyroben bez pomoci High-NA.
Co je to technologie High-NA?
High-NA je nadstavba nad současnou EUV litografií, která má dále zlepšit schopnost extrémního ultrafialového záření formovat na čipu extrémně malé struktury.
Dělá to pomocí anamorfní optiky s většími zrcadly, která zvyšuje numerickou aperturu z 0,33 na 0,55, což by mělo umožnit tvorbu 1,7násobně menších (o 41% zmenšených) tranzistorů. Realizovat to je samozřejmě velmi složité a jsou zde i nevýhody, tímto zmenšením se současně na polovinu zmenšuje i plocha, kterou High-NA EUV stroj na waferu ozařuje. Zaplnit celý wafer tedy vyžaduje dvojnásobek expozic. Také se tím zřejmě zmenší maximální velikost čipu, takže například velká highendová GPU už budou nutně muset být čipletová.
Nový tranzistor nanostack
IBM píše, že součástí 0,7nm procesu na tomto pokusném čipu a jedna z inovací, která ho umožnila, je vyvinutí nové struktury tranzistoru, které říká nanostack. Má jít o strukturu používající pro kanál tranzistoru nanodestičky (které jsou jen 15 vrstev atomů silné). Nanodestičky už byly aplikovány i v tranzistorech typu GAAFET, které má Intel v 1,8nm procesu (pod označením RibbonFET), Samsung v 3nm a 2nm a TSMC je nasadilo ve své 2nm technologii. Tranzistory typu GAAFET mělo i IBM v onom pokusném 2nm čipu z roku 2021.
Nanostack by měl být pokročilejší formou, což by mělo spočívat v postupu, kterým se nanodestičky štosují na sebe (v čipu leží v horizontálních vrstvách na sobě, což nicméně používají již GAAFETy). Technologie nanostack by měla být speciální v tom, že umožní „sekvenční 3D integrací“ nahustit tranzistory blíže k sobě – což je životně důležité pro zvyšování hustoty tranzistorů a tím i výkonu a efektivity čipů tak, jak je vyjadřoval Moorův zákon (ale s tím, že nemusí nutně klesnout cena za tranzistor, protože v poslední době s novými procesy roste cena vyrobeného waferu).
Struktura tranzistoru nanostack
Struktura nanostack a postup její výroby demonstrovaný IBM má také umožnit použití různých materiálů v individuálních nanodestičkách tvořících vrstvy tak, jak jsou postupně nanášeny. To by mohlo umožnit určité optimalizace výkonu a energetické efektivity vyráběných čipů, dříve nemožné.
Podle výzkumu IBM by tranzistory nanostack také mohly vést ke zvýšení hustoty bloků paměti SRAM, která se v čipech používá pro cache, registry a ostatní na čipu přítomné volatilní paměti (například paměti TLB, paměti prediktoru větvení a tak dále). V posledních letech je problém, že nové výrobní procesy sice zvyšují hustotu tranzistorů v logických obvodech, které se tím zmenšují, ale struktury SRAM se daří zmenšovat jen o výrazně menší faktory. Protože ale procesory různé cache a další bloky SRAM potřebují, znamená to, že se celý čip nepovede zmenšit o tolik, o kolik nová výrobní technologie slibuje. Kvůli tomu pak je nutné návrh osekat o funkce či jednotky a také to nutí výrobce na pamětech cache šetřit, což brání ve zvyšování výkonu.
Pokusný 0,7nm čip IBM
Nanostack použitý v 0,7nm procesu by podle IBM mohl bloky SRAM zmenšit až o 40 % proti 2nm procesu, což by s tímto problémem pomohlo. Otázka je samozřejmě, zda je to dostatečné zlepšení. Uvidíme, o kolik se eventuálně podaří zmenšit bloky SRAM mezi 2nm a 0,7nm procesem TSMC. Tyto technologie se ale v praxi objeví nejspíš až někdy v polovině příští dekády. TSMC ještě ani 1nm, ani 0,7nm (použitá mohou nicméně být jiná čísla) technologie neoznámilo a do demonstrace jejich reálných možností je určitě ještě daleko.
Kdo by mohl technologii využít?
IBM samotné už pokročilé čipy nevyrábí komerčně ve vlastních továrnách – ty prodalo více než před deseti lety GlobalFoundries (ona výzkumná linka v Albany součástí této akvizice nebyla). Jeho 2nm a 0,7nm technologie tak představuje výzkum, který se do praxe může dostat jen skrze další společnosti, které by si ho licencovaly. Teoreticky by to mohl být japonský Rapidus, který je nově založeným foundry podnikem pokoušející se prorazit v polovodičovém průmyslu. Rapidus už s IBM spolupracuje, takže je možné, že si tuto technologii také licencuje.
Jak úspěšné by takové licencování mohlo být, zatím těžko říct. V minulosti, kdy IBM spolupracovalo na vývoji čipových procesů se Samsungem, Motorolou/Freescale, AMD (později GlobalFoundries) v rámci sdružení nazvaného Common Platform, údajně bývaly problémy s tím, že technologie od IBM byly příliš drahé pro ekonomickou výrobu běžných produktů v továrnách ostatních členů této aliance. To asi ilustruje potenciální komplikace, které samostatný výzkum oddělený od ekonomického nasazení může potkat.
Každopádně příchod do praxe bude asi podobně dlouhý – ne-li delší – jako u onoho 2nm čipu IBM, který byl představen roku 2021, ale reálné 2nm produkty vyjdou až koncem letošního roku. A budou to čipy vyráběné TSMC. (Intel sice už má na trhu svůj proces označený jako 1,8nm (18A), ale ten svými parametry konkuruje spíš 3nm technologii TSMC, takže se z technologického hlediska asi úplně počítat nedá.) To, že IBM své výsledky prezentuje už teď, nemusí znamenat, že by bylo proti TSMC technologicky dál.
Zdroj: IBM
