giovedì, Aprile 18, 2024
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IBM presenta la prima tecnologia al mondo per semiconduttori con nodo di processo da 2 nanometri

Un annuncio che porterà importanti sviluppi in termini di prestazioni ed efficienza energetica nei semiconduttori più avanzati.

La corsa verso il sempre più piccolo (che poi significa una maggiore efficienza energetica e prestazioni più avanzate), ha raggiunto un nuovo traguardo con l’annuncio di IBM di essere riuscita a realizzare un processo produttivo con tecnologia a 2 nm.

La domanda di chip con prestazioni sempre più avanzate ad elevata efficienza energetica continua a crescere nell’era del cloud ibrido, dell’intelligenza artificiale e dell’Internet of Things. La nuova tecnologia con nodo di processo a 2 nm di IBM aiuterà sicuramente a far avanzare lo stato dell’arte nel settore dei semiconduttori, rispondendo a questa crescente domanda. La Società prevede che, rispetto alla tecnologia a 7 nm, i nuovi chip saranno del 45% più performanti e consumeranno il 75% di energia in meno.

Secondo IBM questi avanzati chip a 2 nm potrebbero portare ai seguenti, importanti vantaggi:

  • Quadruplicare la durata della batteria del telefono cellulare, richiedendo agli utenti di caricare i propri dispositivi solo ogni quattro giorni.
  • Ridurre l’impronta di carbonio dei data center, che rappresentano l’1% del consumo energetico globale.  La modifica di tutti i server con processori a 2 nm potrebbe potenzialmente ridurre tale numero in modo significativo.
  • Accelerare drasticamente le funzioni dei laptop, che vanno dall’elaborazione più rapida nelle applicazioni, all’accesso più veloce a Internet.
  • Contribuire al rilevamento di ostacoli più rapidamente e a ridurre il tempo di reazione nei veicoli a guida autonoma.

L’innovazione racchiusa in questo nuovo chip a 2 nm di IBM è essenziale per l’intero settore dei semiconduttori e dell’IT“, ha affermato Darío Gil, SVP and Director of IBM Research “Questo risultato è il prodotto dell’approccio di IBM nell’affrontare sfide tecnologiche difficili, e una dimostrazione di come le scoperte derivino da ingenti investimenti e da un approccio collaborativo all’ecosistema di ricerca e sviluppo“.

Da sempre IBM è impegnata dell’innovazione dei semiconduttori. Gli sforzi di sviluppo dei semiconduttori dell’azienda fanno capo al laboratorio di ricerca dell’Albany Nanotech Complex ad Albany, NY, dove gli scienziati IBM lavorano in stretta collaborazione con i partner del settore pubblico e privato per spingere i confini della capacità dei semiconduttori.

Questo approccio collaborativo all’innovazione rende IBM Research Albany un ecosistema leader a livello mondiale per la ricerca sui semiconduttori e crea una forte pipeline di innovazione, contribuendo a soddisfare le richieste di produzione e ad accelerare la crescita del settore globale dei chip.

I risultati di IBM nel settore dei semiconduttori includono la prima implementazione di tecnologie di processo a 7 nm e 5 nm, DRAM a cella singola, il ridimensionamento di Dennard, fotoresist amplificati chimicamente, interconnessioni in rame, tecnologia Silicon on Insulator, microprocessori multi core, dielettrici gate high-k, DRAM embedded e  stacking 3D. Questa tecnologia, insieme agli ultimi progressi nella tecnologia a 7 nm, debutterà entro la fine dell’anno nei dispositivi IBM POWER10.

IBM non ha una propria fonderia da quando vendette, nel 2014, le proprie linee produttive a GlobalFoundries; nei suoi laboratori di Albany la società sviluppa IP in collaborazione con altri partner che poi applicano queste soluzioni ai loro processi produttivi. Oltre che con GlobalFoundries con cui ha una impegno di partnership di 10 anni e dove fa produrre i propri chip, IBM ha anche una stretta collaborazione con Samsung e Intel.

50 miliardi di transistor su un chip delle dimensioni di un’unghia  
L’aumento del numero di transistor per unità di superficie, può rendere i processori più piccoli, più veloci, più affidabili e più efficienti. Il design a 2 nm dimostra l’avanzata scalabilità dei semiconduttori che utilizzano la tecnologia nanosheet di IBM. Questa architettura è una novità assoluta nel settore. Sviluppata meno di quattro anni dopo che IBM ha annunciato il suo progetto a 5 nm, questa ulteriore innovazione consentirà ai chip a 2 nm di ospitare fino a 50 miliardi di transistor su un dispositivo delle dimensioni di un’unghia.

Più transistor su un chip significa anche che i progettisti di processori avranno più opzioni per ulteriori innovazioni a livello di core, per migliorare le capacità in presenza di carichi di lavoro critici come l’intelligenza artificiale e il cloud computing, nonché per attivare nuove soluzioni per la sicurezza e la crittografia applicate dall’hardware.

Questo il video diffuso da IBM sul suo nuovo nodo di processo a 2 nm:

Differenze tra nodi di processo

Per quanto riguarda i nodi di processo, non sempre le definizioni dei vari produttori coincidono. Questa metrica si è fatta ancora più complessa da quando sono nate le tecnologie 3D come il FinFET, ed è per questo motivo che ora si parla di “transistor 2D equivalente per superficie”.

Un confronto approssimativo tra le varie definizioni può essere fatto, dunque, considerando il numero di transistor per unità di superficie.

IBM afferma che la nuova tecnologia consente di realizzare 50 miliardi di transistor su una superficie grande come un’unghia, dove per “unghia” si intende una superficie di 150 millimetri quadrati. Sulla base di questi dati otteniamo una densità di 333 milioni di transistor per millimetro quadrato (MTr/mm2 ), la più alta in assoluto tra i nodi di processo dei vari produttori. Infatti, secondo le stime più accreditate (i produttori sono molto riservati su questa materia), la densità dei nodi di processo di TSMC dovrebbe essere di 292, 171 e 91 MTr/mm2 per i nodi di processo, rispettivamente di 3nm, 5nm e 7nm; per contro, la densità dei nodi  a 7nm di Intel dovrebbe raggiungere i 237 MTr/mm2 e quella di Samsung, sempre per il nodo di processo a 7nm, i 95 MTr/mm2. Questi dati fanno capire quanto sia difficile effettuare un confronto tra quanto dichiarato dai vari costruttori. L’unico vero confronto piò essere effettuato sui dispositivi reali, andando a misurare, oltre alle dimensioni del chip, le prestazioni in termini di velocità, capacità e consumo energetico. Anche perché, un conto sono i prototipi come quello annunciato da IBM, un altro i chip che debbono essere prodotti in milioni (o miliardi di pezzi). 

Tecnologia produttiva

Per quanto riguarda il processo costruttivo, la nuova tecnologia a 2 nm di IBM sfrutta un design GAA (Gate-All-Around / nanosheet) a tre stack.

Immagine: IBM Research

Questa tecnologia utilizza un’altezza della cella di 75 nm e una larghezza di 40 nm, mentre i singoli nanofogli sono alti 5 nm e sono separati l’uno dall’altro di 5 nm. Il passo del poli del gate è di 44 nm e la lunghezza del gate è di 12 nm. IBM afferma che il suo progetto è il primo a utilizzare canali di isolamento dielettrico che consentono una lunghezza del gate di 12 nm, e che i suoi distanziatori interni utilizzano un processo a secco di seconda generazione che aiuta lo sviluppo di nanosheet.

Immagine: IBM Research

Il processo sfrutta la Litografia Ultravioletta Estrema (EUV) in tutte le fasi critiche della produzione.  Samsung sta introducendo il processo produttivo GAA nei suoi nodi a 3nm mentre TSMC lo introdurrà nelle future linee produttive per 2nm.

IBM afferma anche che il prototipo utilizza uno schema multi-Vt per  applicazioni ad alte prestazioni e ad alta efficienza.