本文来自微信公众号“麻省理工科技评论APP”，【作者】Sophia Chen。
（来源：麻省理工科技评论）
IBM制造了一款新的原型芯片，在指甲盖大小的面积上集成了大约1000亿个晶体管，密度是该公司2021年发布的上一代最先进技术的两倍。这种设计有望在未来多年推动计算机变得更快、更省电。
半个多世纪以来，芯片制造商一直遵循摩尔定律的核心原则来制造更强大的计算机：往芯片上塞进更多晶体管。做法就是把晶体管这个执行计算的微型开关一代一代地缩小。但过去15年里，晶体管已经小到了量子力学开始干扰其功能的临界点：只有几十纳米，再往小了做已经做不动了。
所以要在芯片上塞进更多晶体管，业界的工程师们正在转向一个城市规划师很熟悉的思路：往上盖楼。
周四，IBM宣布制造出了一款采用这种策略的芯片。这种新架构叫“纳米堆叠”（nanostack），在硅芯片上把晶体管分成两层垂直叠在一起。
“这不是小步改进，”IBM Research总监杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta）在周二的发布会上说，“这是一次有意义的跨越。”甘贝塔预计十年之内，采用纳米堆叠技术的芯片将在数据中心广泛使用，它们更高的能效可以帮助数据中心更好地管理用电。
“这绝对是变革性的，”科技分析公司TechInsights副董事长丹·哈奇森（Dan Hutcheson）说，“这给技术路线图又续了10到15年。”
IBM称与公司上一代最先进架构相比，用新方法制造的芯片在同样的时间里能多完成50%的计算，能效最高提升70%。
这种架构提供了一种通用的晶体管布局方案，IBM将与半导体制造商合作生产实际芯片。公司预计芯片设计师会把这种设计用在很多类型的芯片上，包括GPU和CPU。“我期待会跟很多设计师讨论他们怎么用这项技术。”IBM全球半导体研发副总裁Huiming Bu在发布会上说。
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像叠蛋糕一样
工程师一层一层地制造IBM的新芯片，就像做蛋糕：先在一层硅上制造晶体管，然后在上面铺一层新的硅，直接在上面再造一层晶体管，最后把两层晶体管之间的电气连接做好。这种垂直堆叠结合了两种类型的晶体管，叫做互补场效应晶体管（CFET），伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程教授Qing Cao解释说。
IBM不是唯一在尝试这条路的。最大的芯片制造商英特尔、三星和台积电，以及比利时的竞争性研究机构Imec都在研究CFET。IBM说自己设计的不同之处在于，第二层的晶体管不是直接叠在第一层晶体管的正上方，而是交错排列，这种设计简化了布线，还有其他优势。
曹青说IBM纳米堆叠架构中的CFET跟另一种常见的双层芯片制造方法不同，比如AMD的3D V-Cache和华为即将推出的逻辑折叠（LogicFolding）。那些方法是先分别在两层芯片上各自独立制造晶体管，然后再把两层粘合在一起。IBM的新方法允许层与层之间更精确地对齐，这对性能很重要，因为晶体管实在太小了，Qing Cao说。
纳米堆叠建立在一种叫纳米片（nanosheet）技术的基础上。大约从2022年起，纳米片技术就被用来制造当前最先进的晶体管了。一个晶体管本质上就是一根让电子流过的管道，加上一个可以开关电子流的阀门。在晶体管内部，电子通过硅上一个叫做“沟道”的区域流动。在IBM的纳米堆叠方案中，沟道由三片纳米片组成，每片只有15个原子厚，片与片之间相隔9纳米。
每一代芯片都有一个名字。IBM把自己的纳米堆叠技术称为“亚纳米”或“0.7纳米”，沿用了行业惯例，每一代都用一个更小的长度来命名。但“0.7纳米”是一个营销术语，不对应芯片上的任何物理尺寸。实际上晶体管之间的距离“已经停留在大约40纳米很长时间了。”Qing Cao说。
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走向量产
展望未来，芯片制造商可以尝试叠更多层来进一步提高晶体管密度，Huiming Bu在发布会上也提到了这个方向。不过Qing Cao指出，实际操作中会碰到挑战：芯片制造不可能百分之百完美，每一批都会有一定比例的废品。“现在你在上面又加了一层，上面那层或下面那层只要有一层出了问题，整颗芯片就报废了。”Qing Cao说。因此废品率会比单层芯片更高，成本也会更高。
另一个核心挑战是Qing Cao所说的“热预算”。简单来说就是工程师必须想办法在制造上面那层的时候，不把下面那层的连接给熔化了。这要求制造过程中温度不超过400°C。IBM找到了在足够低的温度下制造第二层的方法，但具体怎么做并未透露。
学术界也在研究这个问题。比如Qing Cao的团队开发了一种逐层堆叠晶体管的方法，第二层的制造温度控制在200°C以下。他们能做到这一点，是因为用了一种叫无结晶体管（junctionless transistor）的设计，不需要通常必不可少的“掺杂”步骤。掺杂是把非硅原子注入硅中以调节材料性质的过程，通常也是制造晶体管时温度最高的环节。Qing Cao认为从热管理的角度看，他的方法更容易扩展到多层堆叠，不过目前这还只是一个原理验证。
Qing Cao认为IBM的工作“具有变革意义”，因为它展示了如何“在完整的晶圆上、用最先进的生产线”来堆叠晶体管。“技术是变革性的，但关键问题还没回答，”他说，“拿这个技术去做什么才是真正的杀手级应用？我很想知道。”
原文链接：
https://www.technologyreview.com/2026/06/25/1139696/ibm-unveils-sub1nm-chip/
