《IBM 垂直堆叠晶体管:摩尔定律还能延长十年吗》
MIT Technology Review 报道 IBM 的垂直堆叠晶体管技术,适合观察先进芯片如何在密度、能效、散热和量产缺陷之间继续推进。
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导语
这篇文章报道 IBM 的“纳米堆栈”原型芯片:它不再只靠继续缩小晶体管,而是把晶体管垂直堆成两层,以提高密度和能效。作者一边呈现 IBM 对这一技术的乐观判断,一边通过外部专家解释它与其他三维芯片路线的区别,以及未来量产必须跨过的制造缺陷和温度限制。
1. 从缩小晶体管转向“向上建造”
- IBM 发布的 0.7 纳米原型芯片,在指甲大小的面积上集成约 1000 亿个晶体管,密度是 IBM 2021 年前沿技术的两倍。文章开头就把它放进摩尔定律的延续问题中:过去半个多世纪,芯片性能提升主要靠把更多晶体管塞进同一块芯片。
- 传统路径是缩小晶体管,但过去十五年晶体管已经逼近量子力学会干扰功能的尺度,大约只有几十纳米,继续缩小变得越来越难。因此行业开始借鉴城市规划的思路:地面不够,就向上建造。
- IBM 这次公布的新架构叫 nanostack(纳米堆栈),把晶体管垂直堆在硅片上的两层。IBM 研究主管 Jay Gambetta 说这不是小幅改进,而是有意义的跃迁;他预计十年内,纳米堆栈芯片会广泛用于数据中心,帮助数据中心管理能耗。
2. IBM 宣称的收益:更高密度、更快、更省电
- 与 IBM 上一代前沿架构相比,新方法据称可以在同一时间内完成最多 50% 更多工作,并提升最高 70% 的能效。TechInsights 副主席 Dan Hutcheson 称它具有转型意义,认为这会把行业路线图再延长 10 到 15 年。
- IBM 把纳米堆栈定位成一种通用晶体管布局方式,自己不会独立制造所有实际芯片,而会与半导体制造商合作。IBM 全球半导体研发副总裁 Huiming Bu 说,他预期会与芯片设计者讨论如何在不同芯片中使用这项技术,包括图形处理器和中央处理器。
3. 像蛋糕一样逐层制造的芯片
3.1 两层晶体管如何堆起来
- 工程师先在一层硅上制造晶体管,再把另一层硅放到这些器件上方,在上面直接制造第二层晶体管,最后建立两层之间的电连接。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程教授 Qing Cao 解释,这种把两类晶体管垂直结合的做法叫互补场效应晶体管,也就是 CFET(互补场效应晶体管)。
- IBM 不是唯一追逐这条路线的公司。Intel、Samsung、TSMC 以及比利时研究机构 Imec 都在研究 CFET。IBM 声称自己的区别在于第二层晶体管没有直接坐在第一层晶体管上,而是错位排列,这可以简化布线并带来其他优势。
3.2 它不同于把两块芯片粘在一起
- Cao 对比说,IBM 的纳米堆栈不同于 AMD 的 3D V-Cache 和华为即将推出的 LogicFolding。这些路线通常是在两层芯片上分别制造晶体管,再把两层结合起来;IBM 的路线是在同一制造过程中逐层叠加,因此层与层之间可以更精确对齐。
- 对齐精度很重要,因为晶体管极小,微小偏差都会影响性能。纳米堆栈还建立在 nanosheet(纳米片)技术之上:从 2022 年左右开始,纳米片已经用于制造当前前沿晶体管。在 IBM 的纳米堆栈中,电子流动的通道由三片各 15 个原子厚、彼此相距 9 纳米的纳米片组成。
4. “0.7 纳米”是代际名称,不是物理尺寸
- 每一代芯片都会有一个名称,IBM 把纳米堆栈称为“亚纳米”或“0.7 纳米”节点,沿用行业把每一代命名成更小长度的传统。但 Cao 提醒,0.7 纳米是营销术语,不对应芯片的真实物理特征;晶体管之间的距离已经在约 40 纳米附近停留很久。
- 这一区分很关键:文章不是说 IBM 已经把某个真实结构缩到 0.7 纳米,而是说行业正在用新的堆叠方式延续密度提升的叙事。这也呼应文章开头的主线:从“缩小”转向“垂直堆叠”。
5. 量产挑战:错误率和热预算
5.1 多一层也意味着多一层失败风险
- Huiming Bu 暗示,未来芯片制造商可以继续增加层数来提高晶体管密度。但 Cao 指出,制造过程会引入错误,导致一部分芯片刚造出来就是坏的。两层芯片的问题在于,只要上层或下层任一层失败,整块芯片就会失败,因此良率下降会带来更高成本。
5.2 热预算限制了如何继续堆叠
- 第二个核心挑战是 Cao 所说的 thermal budget(热预算):工程师必须在不熔化下层连接的前提下制造上层结构,制造过程通常需要控制在 400°C 以下。IBM 已经找到足够低温制造第二层的方法,但没有公开细节。
- 学界也在尝试不同路线。Cao 的团队展示过一种低于 200°C 的逐层堆叠方法,使用 junctionless transistor(无结晶体管),避开通常需要高温的 doping(掺杂)步骤。Cao 认为,从热管理角度看,这条路线可能更容易扩展到多层,不过目前还只是原理验证。
6. 真正意义在于“前沿产线上的整片晶圆演示”
- Cao 最后认为 IBM 的工作具有转型意义,不只是因为它提出了一个概念,而是因为它在前沿制造线上、以整片晶圆方式展示了如何堆叠晶体管。换句话说,文章的落点不是“实验室里又做出一个漂亮结构”,而是这条路线已经足够接近产业化讨论。
- 他仍然保留一个开放问题:这项技术的 killer application(杀手级应用)会是什么?数据中心能效、图形处理器、中央处理器都可能受益,但最终能否变成主流,还取决于制造良率、低温工艺、多层扩展和芯片设计者愿不愿意围绕它重写路线图。
思想框架
文章先从摩尔定律的传统路径讲起:半个多世纪里,芯片进步依靠缩小晶体管,但过去十五年晶体管已经逼近量子尺度限制。IBM 的纳米堆栈因此被放在“向上建造”的新范式中理解,它通过两层晶体管、CFET、纳米片通道和更精确的层间对齐,把密度提升从平面缩放转向垂直叠加。文章中段用 Intel、Samsung、TSMC、Imec、AMD 和华为等参照物说明这不是孤立技术,而是整个行业的三维化趋势。最后,Cao 的评论把乐观拉回制造现实:0.7 纳米是命名,真正难题是良率、热预算、400°C 甚至 200°C 以下工艺,以及哪类应用能成为推动量产的理由。
IBM has unveiled chip technology that could help extend Moore’s Law another decade
MIT Technology Review · 5 mins
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