相比目前最先进的量产芯片，IBM最新一代的芯片通过第二层硅电路实现了封装晶体管数量翻倍的突破。

体积微小、功能强大的计算机芯片又有破纪录式进展。借助三维封装技术，IBM设计的全新芯片在指尖大小的空间内封装了接近1000亿个晶体管，几乎是此前最先进芯片封装晶体管数量的两倍。

IBM公司称，相比当下性能最顶尖的芯片，他们设计的这块10?mm×15?mm大小的产品，可以在能效方面提高70%、性能方面提高50%，并且将在10年内投入商用。

几十年来，最能体现芯片制造工艺先进程度的莫过于其封装的单个晶体管的尺寸，如10纳米、5纳米等。毫无疑问，这个数字越小越好，因为晶体管越小，芯片内封装的晶体管密度就越大，在尺寸保持不变的情况下，芯片的计算速度就更快、能耗也更低。

IBM公司的卜慧明称，最近这些年，情况变得更为复杂了。芯片标注的纳米数字已经与物理现实完全脱钩，仅仅只是营销术语了。

因此，即便IBM公司称他们的这项最新产品为“0.7纳米芯片”并且封装了创纪录数量的晶体管，也并不真的意味着芯片内的晶体管有那么小。这项产品真正的创新之处在于它将两层硅芯片粘在了一起，并且在两层之间创造了足够的电子连接，以保证整块芯片不会过热并且可以大规模生产。按照卜慧明的说法，他们花了足足15年才实现这项创新。

卜慧明说：“在芯片制造产业至今60年的全部历史中，此前所有人的目标都是在X轴和Y轴圈定的平面内尽可能多地封装晶体管，现在我们第一次做到了在Z轴方向上增加晶体管。”

IBM公司不愿透露这款全新芯片中的晶体管确切尺寸，但从他们已经发布的信息来看，这款产品在本质上就是把他们在2021年率先发布的2纳米芯片拼接成两层。这种2纳米芯片现在已由遍及全球的诸多顶尖芯片代工厂生产，并且预计将被用于下一代苹果手机上。

由于设计和制造芯片过程极为复杂、成本极其高昂，产业界合作制定了一幅发展路线图，用以说明需要开发哪些新技术并且在何时将其推向市场。承担路线图策划任务及相关研究工作的是比利时校际微电子中心（IMEC）。虽然IBM公司的这款0.7纳米芯片还未接受商业测试，但这无疑是全球芯片制造业迈出的重要一步，其他制造商可能很快就会跟上。

卜慧明希望，这款新产品能在10年内投入商业化设备，但他同时也表示，芯片制造技术现在必须对抗量子效应、电流泄漏等诸多在极微小尺度上才会出现的问题。换句话说，芯片离物理定律的边界越来越近了，要知道，有一部分最新款的芯片仅仅只有15个硅原子厚。

IBM公司设计的全新芯片

英国斯旺西大学的欧文 · 盖伊（Owen Guy）表示，另有一些芯片制造厂商也宣称达到了类似的晶体管密度，但实际上，他们使用的是由厚衬底区隔开的多层硅，并不能真正实现IBM公司这款新产品的三维效果，因为它们无法实现各层硅之间的电子互通，同时还存在冷却问题。盖伊直言：“芯片制造产业现在有许多掩人耳目的虚假宣传。”

他说，芯片的各种组件现在已经变得极其微小，即便我们还能进一步缩小晶体管的大小，也没有办法让笔记本电脑和智能手机变得更小了——哪怕一块芯片确实需要几十亿个晶体管。要知道，我们之所以追求更小尺寸的芯片组件，更多的是为了提高能源利用率、提升冷却性能，从而延长移动设备的电池寿命，或者降低数据中心的能源消耗。

目前，IBM最新款芯片面临的主要挑战之一是如何将这项新技术整合到全球制造链并将其应用到商业化设备中。按照现在的生产流程，必须先生产直径300毫米、厚度几纳米且内含数万亿个晶体管的硅晶圆，然后再将其切割成单独的芯片。整个过程需要极为精密的机器在硅晶圆上执行数千个独立的操作，再铺设电路层、绝缘层，涂抹各种化学物质。要在这套流程中再增添一层芯片，才能真正制造出IBM公司的最新款芯片，这并不容易。

目前，还有部分芯片制造商甚至渴望研发更小的“0.2纳米芯片”。如果这种技术能成为现实，那么芯片的某些部位甚至可能只有一个原子宽。盖伊说：“最后的极限是一个电子和原子。大概在2050年，芯片制造业的下一次重大技术飞跃将不得不依靠全新的量子技术实现。”

资料来源 New Scientist

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本文作者马修·斯帕克斯（Matthew Sparkes）是资深科学记者，当前主要报道方向为机器人、量子计算、人工智能和数学