Inginerii IBM au făcut un nou salt tehnologic în semiconductori, creând cipul cu cei mai mici tranzistori din lume, 100 miliarde încăpând în suprafaţa unei unghii

În ultimii ani, tehnologia semiconductorilor şi a cipurilor a devenit una de o miză mai importantă ca oricând — pe de o parte, cazul Nexperia din Europa a scos la iveală cât de importantă e menţinerea abilităţilor de a avea această tehnologie nu doar externalizată într-o singură regiune din lume, ci şi în Europa, iar ulterior această situaţie a cunoscut corecţii prin lansarea primului cip suveran din Europa, iar de curând şi prin lansarea celei mai mari fabrici din lume de semiconductori de putere inteligenţi, în Germania. În acelaşi timp, noi scriam şi despre proiectul de ţară al Chinei de a putea concepe şi produce utilaje care să fabrice cei mai avansaţi semiconductori şi cipuri. Or, China n-a avut până acum acces la cele mai avansate utilaje din lume, produse de o singură companie de pe glob, ASML, localizată în Olanda, iar asta-i face pe chinezi să încerce să dezvolte propriile utilaje la fel de avansate şi în paralel să inoveze cu soluţii de alternativă, precum noul cip dezvoltat de Huawei. Şeful ASML declara că nu e îngrijorat de aceste eforturi ale Chinei, întrucât tehnologia e atât de avansată, încât China va avea nevoie de decenii pentru a ajunge la aceleaşi rezultate, pentru a putea produce cipuri cu tranzistori 7 nm de 2-3 nm. Acum, inginerii IBM au făcut un nou salt tehnologic în semiconductori, creând cipul cu cei mai mici tranzistori din lume, 100 miliarde încăpând în suprafaţa de mărimea unei unghii.

Mărimea tranzistorilor, exprimată în nanometri (nm) e unul din cele mai importante criterii în performanţa pe care o poate obţine un cip. De circa 60 de ani încoace, cipurile au evoluat preponderent prin mărirea numărului de tranzistori conţinute în ele, or, un număr mai mare de tranzistori într-un circuit permite procesarea mai multor operaţii logice. E ceea ce a devenit cunoscut în lume ca legea lui Moore, după ce în 1965 şeful Intel, Gordon Moore, a trasat practic calea progresului de mai departe prin provocarea de a integra cât mai mulţi tranzistori în circuitele unui cip, pentru a-i mări puterea totală de procesare. Legea lui Moore nu este o lege a fizicii, ci mai degrabă o observaţie a căii de obţine progresul dorit în industrie.

Dezvoltarea obţinută de industria cipurilor de atunci şi până în prezent a urmat în mare parte această cale de progres. În anul 1971, spre exemplu, procesorul Intel 4004 avea 2.300 tranzistori integraţi în el, ceea ce era considerat deja un vârf tehnologic.

Foto: Foto: Procesor Intel 4004 din anii 1970, cu 2.300 integraţi în el

Pentru a avea un număr mai mare de tranzistori integraţi într-un circuit, tranzistorii au trebuit să devină tot mai mici, iar aici a intervenit evoluţia constantă în precizia utilajelor care fabrică pachetele de semiconductori. În 1995, spre exemplu, un procesor Pentium Pro ajunsese să aibă deja 5,5 milioane de tranzistori pe el. iar către anii 2004-2005, dimensiunea unui tranzistor a ajuns deja la 90-65 nm, ceea ce a cresut şi mai mult umărul tranzistorilor integraţi într-un cip.

Foto: Procesor Pentium Pro din 1995, cu 5,5 milioane de tranzistori

În ultimul deceniu, utilajele ASML au fost cele care, prin aplicarea de litografiere EUV, cu raze ultraviolete extreme, au ajuns la mărimi de doar câţiva nanometri. S-a ajuns la tranzistori mai mici decât distanţa dintre două oscilaţii ale undei de lumină, tocmai de asta utilaje sofisticate moderne de 7 nm şi acum de 3 nm şi 2 nm folosesc deja convergenţe ale multiplelor razelor de lumină, pentru a crea tranzistori şi mai mici decât acele distanţe prin litografiere de o complexitate enormă.

Cei de la ASML au în pregătire utilaje şi mai performante de atât, care ţintesc spre 1,5 nm şi 1,0 nm. Dar inginerii IBM au creat acum cipul cu transistori de 0,7 nanometri, adică 7 angstromi, avansând pentru prima dată în lume în scara angstromilor.

Tranzistorii dezvoltaţi acum de inginerii IBM sunt atât de mici, încât se apropie deja de dimensiunea atomilor, or, cea mai mare parte a atomilor au mărimi de 0,1-0,3 nm. Respectiv, un tranzistor de 0,7 nm este egal cu doar mărimea cumulată a 2-3 atomi. Prin urmare, progresul atins acum este deja foarte aproape de limita fizică a ceea ce mai e posibil chiar şi teoretic.

Foto: Noii trazistori mai mici de 1 nm de la IBM

Doar că inginerii IBM n-au mers doar în micşorarea tranzistorilor şi incluziunea a cât mai mulţi tranzistori pe un circuit bidimensional, ci cu recurs şi la abordarea lor tridimensională, supraetajată, numită Nanostack. Designul noului cip presupune poziţionarea în mai multe straturi a reţelei de tranzistori, cu conexiuni directe între niveluri, pentru a reduce distanţele parcurse de electroni şi rezistenţa şi a spori eficienţa. Asta dă o eficientizare a procesului, cu o sporire enormă a puterii de procesare.

Foto: Noul cip IBM

Acest principiu de funcţionare poate aminti de cipul anunţat de chinezii de Huawei de curând, care are tranzistori mai mari, dar aplică asemenea supraetajare cu conexiuni directe. E o logică foarte similară, ba chiar cea de la IBM e mai avansată şi mai flexibilă în tipul conexiunilor şi complexitatea lor. Însă dezvoltarea de asemenea cipuri ia timp îndelungat, deci nu putem spune că IBM ar fi replicat ce a făcut Huawei, mai ales că IBM are o experienţă enormă în arhitecturile de cipuri. Fie ambele companii au avut aceeaşi idee de bază în paralel, fie se mai pot întâmpla cazuri de scurgeri de informaţii, spionaj industrial şi alte fenomene care duc la apariţia unor asemenea situaţii. Cert e că Huawei încerca să înlocuiască litografierea EUV prin această spaţialitate. Iar IBM foloseşte şi litografierea, şi spaţialitatea 3D, şi dimensiunea record de mică a tranzistorilor. Prin urmare, ceea ce au creat inginerii IBM e mult mai avansat şi mai performant de atât.

Foto: He Tingbo, şefa de cercetare Huawei, anunţând noua elaborare a cipului supraetajat a inginerilor din echipa sa

Renumita companie IBM a rămas mai puţin cunoscută publicului larg după ce divizia sa producătoare de computere personale a fost vândută şi a devenit Lenovo. La fel s-a întâmplat şi cu divizia producătoare de cipuri, care a fost vândută în 2014, într-o tranzacţie finalizată în 2015, care a devenit compania pe care o cunoaştem azi ca GlobalFoundries. Compania GlobalFoundries a fost creată în timpul crizei din 2009 prin deprinderea de AMD, cu investiţii primite pe atunci din Orientul Mijlociu, apoi a preluat compania Chartered Semiconductor din Singapore, iar în 2014 a cumpărat divizia de cipuri de la IBM. Din acel moment, IBM s-a concentrat pe R&D în domeniul cipurilor şi semiconductorilor, dar nu mai are producţie proprie de scară mare, ci doar la nivelul testărilor de R&D.

Foto: Evoluţia dimensiunilor tranzistorilor în cipuri din 2010 încoace

Chiar şi atunci când a creat mai recent cipuri cu tranzistori de 5 nm, IBM a ales Samsung în calitate de partener care să le producă, iar cipurile au fost produse în parteneriat. Pentru cipurile mai noi, IBM şi-a ales şi alţi parteneri şi probabil va face la fel şi cu noul cip de 0,7 nm.

Deocamdată, producţia partidelor de test va fi realizată la utilajul ASML de nouă generaţie, High-NA EUV, din statul New York, situată în Albany NanoTech Complex. E un centru de excelenţă în producţia de test a cipurilor, finanţat preponderent din bani publici, oferit companiilor care inovează în acest domeniu, pentru a le accelera dezvoltarea de cipuri. Şi IBM va fi prima din aceste companii are va folosi acest utilaj de generaţie nouă de la Albany pentru a produce noua generaţie de cipuri.

Foto: Albany NanoTech Complex

Ce va însemna acest cip în viaţa reală? În primul rând, trebuie să înţelegem că va mai dura câţiva ani până când el va intra în producţia la scară mare, dar va ajunge cu siguranţă acolo. Şi inginerii IBM spun că el va defini performanţa supremă a semiconductorilor cel puţini pentru 10 ani înainte, fiind tehnologia de referinţă în puterea maximă de procesare, cooptată cu eficienţă.

Foto: Utilaj ASML High-NA EUV

Vorbim, deci, de cele mai performante cipuri, pentru cele mai performante aplicaţii, de la centre de date pentru inteligenţă artificiale până la procesări grafice specializate de înaltă performanţă. Şi aceste cipuri au toate şansele să fie produse în primul rând în SUA şi Europa, dar posibil şi în Japonia, Singapore şi alte locaţii unde partenerii istorici ai IBM au prezenţă puternică.