IBM's nieuwe Nanostack-chip zou de wet van Moore met een decennium kunnen verlengen

IBM heeft een baanbrekende prototypechip onthuld met 100 miljard transistoren op een oppervlakte niet groter dan een vingernagel, wat duidt op een enorme verschuiving in het ontwerp van halfgeleiders. Door de focus te verleggen van het verkleinen van transistoren naar het verticaal stapelen ervan, pakt IBM de fysieke limieten van silicium aan om ongekende rekenkracht vrij te maken.

De fysieke limieten van silicium doorbreken

Decennialang heeft de halfgeleiderindustrie vertrouwd op de wet van Moore — het principe van het verdubbelen van de transistor-dichtheid door individuele componenten te verkleinen. Echter, naarmate transistoren de schaal van enkele tientallen nanometers naderen, begint de kwantummechanica hun functionaliteit te verstoren, waardoor verdere miniaturisatie bijna onmogelijk wordt.

De oplossing van IBM is een strategische verschuiving van horizontale expansie naar verticale dichtheid. Met behulp van een "nanostack"-architectuur heeft het bedrijf met succes Complementary Field-Effect Transistors (CFETs) geïmplementeerd. Deze aanpak stelt ingenieurs in staat om twee lagen transistoren verticaal op een enkele siliciumchip te stapelen, waardoor de dichtheid effectief wordt verdubbeld in vergelijking met de state-of-the-art technologie van IBM uit 2021.

De techniek achter de Nanostack

Het fabricageproces werkt vergelijkbaar met een laagjescake. Ingenieurs bouwen eerst een laag transistoren op silicium, plaatsen een nieuwe siliciumlaag erbovenop en fabriceren vervolgens een tweede laag transistoren direct boven de eerste. De specifieke innovatie van IBM ligt in een "staggered" (verspringend) ontwerp; in tegenstelling tot andere CFET-benaderingen ligt de tweede laag niet direct bovenop de eerste, wat de complexe bedrading die nodig is om de componenten te verbinden aanzienlijk vereenvoudigt.

Technisch gezien bouwt dit voort op "nanosheet"-technologie. In de architectuur van IBM bestaat het transistorkanaal uit drie nanosheets, elk slechts 15 atomen dik, met een tussenruimte van negen nanometer. Hoewel IBM dit het "0,7 nanometer"-node noemt, is dit een generatiegebonden marketingterm in plaats van een fysieke meting van de grootte van de transistor zelf.

Prestatiewinst en impact op de industrie

De implicaties voor high-performance computing zijn transformatief. IBM meldt dat deze nieuwe architectuur tot 50% meer werk kan verrichten in dezelfde tijdspanne, terwijl deze tot 70% energiezuiniger is dan voorgaande generaties.

Deze efficiëntie is cruciaal voor de toekomst van AI en datacenters, waar energieverbruik en thermisch beheer de belangrijkste knelpunten vormen. Jay Gambetta, directeur van IBM Research, verwacht dat nanostacking binnen het volgende decennium op grote schaal zal worden ingezet in datacenters. Bovendien, omdat de architectuur algemeen bruikbaar is, is IBM van plan om met fabrikanten samen te werken om dit ontwerp te integreren in diverse hardware, waaronder CPU's en GPU's.

Productiebarrières overwinnen

Ondanks de belofte wordt de weg naar massaproductie gehinderd door twee grote obstakels: de opbrengst (yield rates) en het "thermische budget". Omdat de lagen op elkaar zijn gestapeld, leidt een defect in de bovenste of onderste laag tot het falen van de gehele chip, wat de productiekosten potentieel verhoogt. Daarnaast moeten ingenieurs de bovenste lagen fabriceren bij temperaturen onder de 400°C om het smelten van de verbindingen van de onderliggende laag te voorkomen — een prestatie die IBM naar eigen zeggen heeft bereikt, hoewel specifieke technische details vertrouwelijk blijven.

Belangrijkste punten

• Verticale schaling: De nanostack-architectuur van IBM maakt gebruik van CFET-technologie om transistoren verticaal te stapelen, waardoor de fysieke limieten van traditionele horizontale verkleining worden omzeild.
• Enorme efficiëntiewinst: Het nieuwe ontwerp biedt een prestatieverbetering van 50% en een verbetering van 70% in energie-efficiëntie, wat cruciaal is voor toekomstige datacenters en AI-workloads.
• Verlengde roadmap: Experts uit de sector suggereren dat deze doorbraak nog eens 10 tot 15 jaar toevoegt aan de roadmap van de wet van Moore.