IBM今日宣布推出全球首款亚纳米芯片技术，这一研究突破将推动未来十年的半导体发展，并为原子级芯片设计开辟道路。
这项新技术基于IBM称之为"纳米堆叠"（Nanostack）的晶体管架构，专为0.7纳米（即7埃）节点设计。IBM表示，该架构能够在一枚指甲大小的芯片上集成近1000亿个晶体管，密度几乎是该公司2021年发布的2纳米芯片技术的两倍。
IBM预测，与2纳米节点芯片相比，这项技术可实现最高50%的性能提升和70%的能效提升。此外，该公司还提到静态随机存取存储器（SRAM）扩展能力提升了40%，这对于需要靠近计算资源的高带宽、高效率内存的AI系统而言具有重要意义。
IBM研究院院长、IBM院士Jay Gambetta表示："这不仅仅是渐进式的进步，而是实质性的跨越式发展……预示着一个算力大幅提升而能耗不会相应增加的未来。"
技术演进背景
Nanostack在纳米片技术的基础上发展而来。纳米片是IBM参与开创、并已成为前沿芯片基础的一种晶体管架构，它有效突破了现代微芯片中鳍式场效应晶体管（FinFET）的性能瓶颈。
纳米片技术改善了晶体管沟道控制、降低了漏电功耗，并推动芯片工艺向3纳米和2纳米节点演进。Nanostack则是IBM在纳米片之后提出的下一步方案，采用垂直堆叠方式，使芯片尺寸得以突破1纳米以下的制程壁垒。这项技术为芯片微缩增加了第三维度，而非仅依赖在晶圆平面上不断缩小特征尺寸。
IBM硅技术研发副总裁Huiming Bu表示，此类创新不断推动半导体技术突破物理极限。"当某一路径走到尽头时，并不意味着进步停止，而是意味着我们需要全新的范式。"他指出，自1959年晶体管发明以来，半导体行业主要在二维空间中扩展金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。Nanostack的垂直堆叠架构让设计者首次能够利用第三维度来提升集成密度。
"这将是我们行业有史以来第一次能够在垂直方向上堆叠和交错排列晶体管。"Bu说道。
IBM去年发表的一篇研究论文将Nanostack描述为一种顺序堆叠的互补金属氧化物半导体架构，具备灵活的上下纳米片沟道布局、超薄介质键合层以及热稳定的底部晶体管栅极堆叠。IBM已验证了纳米片叠纳米片CMOS晶体管的制造可行性，包括可正常工作的CMOS反相器，其电学特性与非堆叠纳米片基准方案相当甚至更优。
该设计允许上下层晶体管分别独立设计，并可在每层使用不同材料，从而实现在传统晶体管结构中难以达到的性能与功耗优化。这一架构可广泛应用于多类芯片，包括CPU、GPU和移动处理器。
AI应用潜力
由于功耗已成为数据中心扩张的重要制约因素，Nanostack在人工智能领域的应用潜力备受关注。随着AI模型规模扩大、推理需求持续增长，芯片厂商面临在不大幅提升功耗、散热和基础设施成本的前提下提升性能的压力。
"所有人都要求更高的性能，但没有人愿意为电费买单。"Bu说。
Gambetta表示，SRAM扩展能力的提升与AI芯片的关系尤为密切，因为许多AI芯片高度依赖片上内存来减少数据搬运——而数据搬运正是能耗的最大来源之一。更高效的SRAM设计有助于提升缓存容量，减少处理器与外部内存之间的数据交换需求。
商业化路径
IBM强调，该技术目前仍处于从研究到量产的路径上，尚非商业化产品。公司预计Nanostack在亚纳米节点的最早商业应用将在未来五年内实现。
相关研究工作在IBM位于纽约州奥尔巴尼的半导体研究机构开展，IBM及其合作伙伴也正在该机构准备使用由荷兰ASML公司研发的高数值孔径极紫外光刻（High NA EUV）技术——这是下一代芯片制造的核心工具。IBM表示，High NA EUV对未来逻辑芯片微缩至关重要，并有望在Nanostack量产之前进一步推动纳米片技术的发展。
在合作层面，IBM目前正与日本Rapidus公司等合作伙伴共同推进2纳米制造技术。Gambetta表示，IBM尚未披露Nanostack的商业化方案，公司近期的工作重心仍是协助合作伙伴扩大纳米片技术的应用规模。
Q&A
Q1：IBM的Nanostack芯片架构和普通纳米片技术有什么区别？
A：纳米片技术是在二维平面上缩小晶体管特征尺寸，而Nanostack在此基础上引入了垂直堆叠方式，将晶体管在垂直方向上叠放，为芯片微缩增加了第三维度。这是半导体行业首次实现晶体管在垂直方向上的堆叠与交错排列，使得在0.7纳米节点上集成近1000亿个晶体管成为可能，密度约为2纳米芯片的两倍。
Q2：Nanostack架构对AI芯片有什么具体帮助？
A：Nanostack在SRAM扩展能力上提升了40%，这对AI芯片非常关键。AI芯片大量依赖片上内存来减少数据在处理器与外部内存之间的搬运，而数据搬运是能耗的主要来源之一。更高效的SRAM设计可以提升缓存容量、降低能耗，从而在不大幅增加功耗和散热成本的前提下支撑更大规模的AI推理需求。
Q3：IBM的Nanostack技术什么时候能用于商业芯片生产？
A：目前Nanostack仍处于研究阶段，尚非商业化产品。IBM预计该技术在亚纳米节点的最早商业应用将在未来五年内实现。在此之前，IBM的近期重点仍是协助日本Rapidus等合作伙伴推进2纳米芯片的量产，并借助ASML的高数值孔径极紫外光刻技术进一步优化现有纳米片工艺。
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