Krympning av transistorer är helt central för att kunna tillverka mer avancerade, högpresterande och energieffektiva kretsar. Att vartannat år få in ett dubbelt antal transistorer på en given kretsarea var länge givet, men blir allt svårare och inte minst dyrare. Byggstenarna är nu så pass små att industrin brukar beskriva det som att "vi börjar få slut på atomer".

IBM_Research_2_nm_Wafer.jpg
IBM_Research_2_nm.jpg

Nu går den anrika teknikjätten IBM ut med att de är först ut att tillverka kretsar på en teknik de kallar 2 nanometer. Tidigare angav siffran en faktiskt tvådimensionell del i en krets, men sedan tillkomsten av så kallade 3D-transistorer som FinFET användas nanometermåttet i marknadsföringssyfte för att signalera att noden "motsvarar" en tvådimensionell transistordesign.

IBM:s 2-nanometersteknik uppges erbjuda 45 procent bättre prestanda (klockfrekvens) vid samma strömförbrukning, eller 75 procent lägre strömförbrukning vid samma prestanda, som en modern 7-nanometersteknik. Vidare anger IBM att densiteten skulle göra det möjligt att placera 50 miljarder transistorer på en fingernagel, som enligt IBM mäter in på 150 kvadratmillimeter (mm²).

Maximal transistortäthet per kvadratmillimeter (mm²)

IBM

TSMC

Intel

Samsung

22nm

16,50 miljoner

16/14nm

28,88 miljoner

44,67 miljoner

33,32 miljoner

10nm

52,51 miljoner

100,76 miljoner

51,82 miljoner

7nm

91,20 miljoner

237,18 miljoner*

95,08 miljoner

5nm

171,30 miljoner

3nm

292,21 miljoner*

2nm

333,33 miljoner

* Uppskattningar baserade på data från Wikichip

Tekniksidan Anandtech har gjort en sammanställning av tillverkningstekniker från TSMC, Intel och Samsung, och jämfört dessa mot IBM:s påstående. Siffrorna visar att världens största kretstillverkare, TSMC, inte ligger långt efter med sin 3-nanometersteknik som väntas levereras i färdiga produkter sent år 2022. Intels 7-nanometersteknik som letar sig ut på bred front först år 2023 kan dock behöva ännu ett nodskifte för att placera sig i samma region som IBM:s nya genombrott.

IBM-Row_of_2_nm_nanosheet_devices.jpg

IBM:s staplade GAAFET-transistorer

Utöver utökad densitet är en stor del i IBM:s 2-nanometersteknik transistortypen Gate-All-Around (GAA), en efterträdare till dagens FinFET-transistorer. Intel var med 22 nanometer först ut med att introducera FinFET. Till skillnad från plana transistorer lyftes kommunikationskanalen för att ha kontakt med transistorgrindarna i vertikalt led, något som kraftigt sänkte strömläckaget. Det var också här det började talas om "3D-transistorer".

Transistortypen GAAFET är en vidareutveckling av FinFET som i stort sett alla kretstillverkare väntas använda framöver. Enligt namnet handlar det om att transistorerna nu har kontakt på alla sidor om transistorgrindarna. Förutom väntade fördel som kraftigt förbättrad prestanda och energieffektivitet möjliggör det att stapla transistorer vertikalt, till skillnad från idag där transistorer skalas i sidled.

SamsungFoundry_FETdesign.jpg

Den första att tidigare gå ut med användningen av GAAFET-transistorer är Samsung, som ska använda denna med sin 3-nanometersteknik. Den sydkoreanska jätten ska samtidigt introducera en variant av GAAFET kallad Multi-Bridge Channel FET (MBCFET), där de små nanotrådarna eller kommunikationskanalen i en GAAFET-transistor utvidgas till nanoblad.

Fördelarna med MBCFET är utökad flexibilitet för kretsdesigners, som kan välja att utvidga kanalerna till nanoblad för specifika transistorer. Det här är en metod som ska möjliggöra för högre prestanda (klockfrekvens) än med en "traditionell" GAAFET-transistor. Nackdelen är att när kanalens volym blir större sjunker även energieffektiviteten och likaså även transistordensiteten.

Den som har koll på branschen vet att IBM inte längre har någon egen tillverkning, utan att de sålde av sina fabriker till Globalfoundries. Teknikjätten är dock fortsatt en viktig aktör inom forskning och utveckling av mer avancerade tillverkningstekniker. Vanligt vid första tillverkning på en ny nod är enkla designer som cacheminne av SRAM-typ, vilket sannolikt är fallet även här.

Syftet med att trots avsaknaden av egna fabriker utveckla nya tekniker är att bygga upp bolagets patentportfölj och licensiera ut teknik till sina partner, vilka bland annat innefattar Globalfoundries, Samsung och Intel. De första kretsarna på IBM:s 2-nanometer designades och utvecklades i bolagets forskningscenter i Albany, New York.

Mer läsning: