金年会 - 突破0.7纳米，看IBM如何引领芯片技术新纪元

今年早些时候，IBM在半导体领域的前沿技术上迈出了关键一步，推出了全球首款采用0.7纳米制程的芯片技术。这项创新突破了以往在给定面积内集成更多晶体管的局限，基于全新设计的晶体管架构，通过纳米片层叠而成的纳米堆叠结构，彻底打破了Z轴的限制，重新定义了现代逻辑电路的设计理念。最终成果是，在一个仅150平方毫米的芯片上，集成了接近1000亿个晶体管，其密度几乎是IBM先前2纳米制程芯片的两倍，性能提升了50%，能效提高了70%，而SRAM内存容量也扩大了40%。

随着半导体行业即将迎来晶体管架构的重大变革，IBM宣布将在2027年第一季度推出针对7埃纳米堆叠技术的早期研发工艺设计套件（PDK）。在这一新纪元的半导体设计中，PDK不仅是一个开发工具，它让各个组织能够提前开始探索这项新兴架构如何改变他们的产品和服务。这个设计工具包提供了丰富的模型、设计规则、库及其他相关信息，帮助工程师为特定制造工艺设计芯片，使得潜在的合作伙伴有机会在纳米堆叠技术成熟之前对其进行评估。

IBM研究院的高级技术赋能经理Jingyun Zhang表示：“我们希望通过邀请各方参与早期PDK评估，共同推动技术的编码进程。”这次创新的发布标志着IBM的纳米堆叠芯片架构与当前的纳米片晶体管截然不同。这种新方法并不是简单地将n型和p型器件并排放置，而是将两者垂直堆叠，从而改变了电路的物理布局，并引出了对于电阻、电容、热行为以及器件间相互作用等问题的新思考。 金年会

张教授提到：“关键的不同之处在于器件的结构。设计电路时，工程师必须转变思维，不再采取上一代纳米片器件的设计方法，因为逻辑代工技术已在晶体管层面实现了从二维到三维的布局转型。”预计PDK的首个版本将包括用于逻辑功能的示例标准单元库及一个示例SRAM设计，使电路设计师能够利用这些资源进行布局和布线的研究，生成初步的模块级布局，并评估潜在的密度和功耗性能。

需要注意的是，初始版本并不会包含成熟商业PDK的所有模型，而是通过推动合作研究，为早期技术阶段的设计协同优化奠定基础。IBM强调，提前获得纳米堆叠PDK对潜在合作伙伴而言，不仅是前瞻未来的晶体管，更是一个深入研究如何为特定产品优化纳米堆叠技术的机会。电子设计自动化（EDA）公司有机会借此调整其设计工具以适应这一新架构，而设备制造商则能够探讨与新结构相关的特定制造挑战。

随着技术的不断演进，研究者们也将有机会深入探讨寄生提取、热耦合及器件间相互作用等领域。Zhang指出：“PDK将支持行业从纳米片向纳米堆叠技术的转型。如今，我们正处于一个关键时刻，能够为行业做好更充分的准备。”过往技术的转型——从平面晶体管到FinFET，再到纳米片——都促使业界重新思考制造工艺和芯片设计。IBM早期推出的纳米堆叠PDK，旨在为企业提供时间，使其能够重新开始这一流程，并参与到定义该技术设计生态系统的初期阶段。 金年会

回顾计算机领域在上个世纪的重大进展，仿佛是一场现代炼金术的实践。我们学会了利用闪电将沙子转化为能够执行数值计算的材料，经过数十年艰苦努力，成功将沙子中的硅提炼出来并制成晶体管。这些微小的硅器件在推动计算机发展中发挥了重要作用，改变了人们生活的方方面面。从最初的晶体管可以轻松放在手掌心，到如今你口袋里的智能手机中，中央处理器内竟然能集成数十亿个晶体管。

然而，随着技术的频繁突破，对计算计算能力的需求也在不断攀升，尤其是人工智能和量子计算正以不可思议的速度崛起，这对我们所用的设备提出了新的挑战。正是在这样的背景下，IBM在今年六月宣布推出全球最小、最强大的计算机芯片技术。这些新型芯片首次采用亚纳米节点的设计，晶体管节点宽度仅为0.7纳米（即7埃），这使得它们成为目前世界上体积最小的晶体管。

为了便于理解这一微小尺寸，可以对比说，一个人类红细胞的直径约为7000纳米，得出这些新型晶体管的尺寸小了近一万倍。在一块指甲盖大小、边长仅为7埃的芯片上，竟集成了约1000亿个晶体管。这是人类历史上首次在如此小的空间内实现如此高的集成度。IBM新推出的1纳米以下芯片相比于2021年首次发布的2纳米制程芯片，效率提升70%，性能提高50%。在此之前，这些2纳米芯片依然是全世界最小的制程技术。 金年会

凭借着如此显著的性能提升，7埃器件展现出了巨大的潜力，对人工智能技术的发展将产生深远的影响。目前，主流的人工智能加速器每秒能处理约1500万亿次的运算（TOPS），而伴随着这些新的1纳米设计的问世，未来的计算能力将会无疑迎来新的飞跃。