Nanometr nestačí. IBM míří do éry angstromů
Firma IBM oznámila vývoj prvního čipu s technologickým uzlem menším než jeden nanometr. Konkrétně jde o uzel 0,7 nanometru, který firma označuje také jako 7 angstromů, protože jeden nanometr se skládá z deseti angstromů. Výsledkem je čip, na nějž se vejde téměř 100 miliard tranzistorů, přibližně dvojnásobek oproti dvounanometrovému čipu IBM z roku 2021.
Aby bylo jasné, co to reálně znamená, sedm angstromů je vzdálenost srovnatelná s několika málo řadami atomů křemíku. Pracuje se tedy na hranici toho, co hmota vůbec dovolí.
Pro správné pochopení je ale ještě potřeba dodat, že označení jako „0,7 nanometru“ nebo „7 angstromů“ už v dnešním polovodičovém průmyslu nereprezentují skutečnou fyzickou velikost tranzistorů. Jde o komerční a marketingové označení generace uzlu.
To znamená, že žádná součástka na čipu fyzicky neměří pouhých 0,7 nm. Toto číslo pouze vyjadřuje, že čip dosahuje takového pokroku v hustotě a efektivitě, jakého by starší architektury dosáhly, kdyby se jim povedlo klasický tranzistor na tuto velikost zmenšit. Skutečné fyzické rozměry (např. tloušťka nanolistů) se tak pohybují kolem 5 až 9 nanometrů, což je i tak technologický zázrak na hranici samotné fyziky materiálu.
Zdroj: IBM
Nanostack: Když se tranzistory staví do výšky
Celé tajemství nového čipu tkví v architektuře nazvané nanostack. Dosavadní přístupy k miniaturizaci fungovaly v rovině, tedy rozkládaly tranzistory do šířky a délky. Jenže tato cesta se blíží fyzikálním limitům. IBM proto zvolilo třetí rozměr a začalo stavět tranzistory do výšky.
Základní stavební jednotku architektury nanostack tvoří dva tranzistory vrstvené na sebe a vzájemně pospojované. Každý tranzistor se skládá ze tří nanolistů silných přibližně 5 nanometrů, což odpovídá zhruba 15 řadám atomů křemíku.
Vzdálenost mezi jednotlivými nanolisty je přibližně 9 nanometrů. Vrstvy přitom nejsou přesně nad sebou, nýbrž jsou vůči sobě posunuté, prostřídané. Tento přístup, který IBM označuje jako staggered neboli střídavé uspořádání, umožňuje přistupovat k přední i zadní straně každého tranzistoru nezávisle, a to jak pro signál, tak pro napájení.
Navíc může být každá vrstva vyrobena z jiného materiálu. To dává inženýrům možnost ladit rychlost a příkon každého tranzistoru zvlášť, místo aby museli volit jeden kompromis pro celý čip.
Zdroj: IBM
Vyšší výkon, nebo úspora energie?
Podle výsledků zveřejněných IBM může nanostack architektura přinést až o 50 procent vyšší výpočetní výkon nebo až o 70 procent vyšší energetickou účinnost ve srovnání s dosavadními dvounanometrovými čipy. Záleží na tom, co výrobce upřednostní.
Pro provozovatele AI datových center, kde elektrická energie představuje jeden z největších provozních nákladů, je 70procentní úspora zprávou mimořádného dosahu. Velké jazykové modely, AI agenti a chatboti dnes spotřebovávají obrovské množství energie a každé procento úspory se v reálném provozu počítá v desítkách milionů korun ročně.
Mohlo by vás zajímat
Paměti SRAM konečně zase rostou
Vedle čistého výpočetního výkonu přináší technologie nanostack ještě jeden výsledek, který vývojáři AI čipů ocení pravděpodobně stejně: 40procentní zlepšení hustoty pamětí SRAM.
SRAM jsou rychlé operační paměti přímo na čipu, bez nichž by moderní procesory a akcelerátory AI nemohly fungovat. Problém je, že jejich hustota v posledních generacích čipů stagnovala. Mezi třínanometrovým a dvounanometrovým uzlem se SRAM zlepšila jen o jednotky procent. Skok o 40 procent je tedy výsledkem, který se v oboru neviděl celá desetiletí.
Hustší SRAM přímo zefektivňuje zpracování AI úloh, protože čip může udržet více dat v bezprostřední blízkosti výpočetních jader a omezit tak čekání na data z pomalejší vzdálené paměti.
Zdroj: IBM
IBM nevyrábí, ale udává směr
IBM čipy nevyrábí samo. Funguje jako výzkumná instituce, která vyvíjí technologie a licencuje je výrobcům. Dosavadní dvounanometrový uzel dnes využívají nebo hodlají využívat všechny tři přední světové slévárny čipů, tedy TSMC, Samsung i Intel, byť každá s vlastní implementací.
Přímý licenční partner IBM je japonská vládou podporovaná slévárna Rapidus, která nyní rozjíždí výrobu dvounanometrových čipů ve svém závodě v Chitose na Hokkaidó.
Kdo bude komerčně vyrábět čipy nanostack, IBM zatím nezveřejnilo. Výkonný viceprezident IBM pro polovodiče Huiming Bu nicméně odhaduje, že komerční výroba by mohla začít nejdříve za pět let, s největší pravděpodobností do deseti let.
Pro srovnání: TSMC v současnosti připravuje výrobu svého uzlu 1,4 nanometru, jejíž spuštění se očekává kolem roku 2028. IBM tedy svou novinkou skáče rovnou o celou generaci dopředu.
Mohlo by vás zajímat
Cesta k jednomu angstromu
Nanostack není jen jedno řešení pro jeden uzel. IBM ho prezentuje jako platformu, která otevírá cestu k dalšímu desetiletí miniaturizace. Firma zveřejnila technologickou mapu sahající až k uzlu 1 angstrom, tedy 0,1 nanometru, což je vzdálenost odpovídající velikosti jediného atomu vodíku.
Jde samozřejmě o výhledový cíl, u něhož bude třeba překonat řadu fyzikálních i technologických překážek. Podobné 3D skládání tranzistorů zkoumá také Intel pod názvem CFET nebo čínský Huawei s architekturou LogicFolding. IBM však jako první zveřejnilo výsledky s ověřeným fungováním logického invertoru, což je podmínka pro to, aby celé schéma nebylo pouhou teorií.
AI modely, chatboti a AI agenti se dnes stávají součástí každodenního života, ale jejich provoz je energeticky i finančně nákladný. Výzkum IBM míří přesně na tento problém. Výkonnější a energeticky úspornější čipy znamenají, že stejné AI výpočty lze provádět levněji, nebo že lze za stejných nákladů provozovat mnohem výkonnější modely.
V delším horizontu může takový pokrok rozhodovat o konkurenceschopnosti celých zemí v oblasti umělé inteligence. Dnes jsou tyto čipy v laboratoři. Za pět až deset let by mohly být v serverech, na nichž poběží AI agenti příští generace.
Zdroj: IBM, BBC, The Register, Technology
