IBM、サブ1nmチップ技術を発表—性能50%向上のナノスタックアーキテクチャ

IBM Researchは、世界初となるサブ1ナノメートルのチップアーキテクチャを開発した。爪ほどの大きさのダイに約1000億個のトランジスタを搭載し、半導体ロードマップをオングストローム時代へと押し上げる。

IBMの新たなナノスタックアーキテクチャは0.7ナノメートルノードで構築され、従来の2nm製品と比較して最大50%高い性能、または70%優れたエネルギー効率を実現する。これはAIデータセンターの経済性を根本から変える可能性を秘めた飛躍的な進歩だ。

「これは単なる漸進的なステップではなく、意味のある大きな前進です。コンピューティングがエネルギー消費の増加を伴わずに大幅に高性能化する未来を示しています」と、IBM Researchのディレクター兼IBMフェローのジェイ・ガンベッタ氏は述べた。

ナノスタック設計はトランジスタを横に並べるのではなく、垂直に積層する方式を採用し、2021年に発表されたIBMの2nmノードチップと比較して約2倍のトランジスタ密度を実現している。IBMはまた、AIワークロードにおいて高帯域幅かつ低レイテンシのメモリを必要とする重要な指標であるSRAMスケーリングにおいて40%の改善を示した。このアーキテクチャにより、上部と下部のトランジスタを異なる材料で個別に設計することが可能となり、従来の平面設計では実現不可能だった性能と電力の最適化が可能になる。

IBMは現在、チップを商業的に製造していない。2015年に工場をGlobalFoundriesに譲渡し製造から撤退したが、その研究パイプラインは歴史的に業界全体の方向性を決定づけてきた。IBMが先駆けたナノシート技術は、現在TSMCやサムスン・ファウンドリーの最先端3nmおよび2nmチップの基盤となっている。ナノスタックが同じ軌道をたどれば、Nvidia、AMD、Intelの今後10年にわたるチップ設計に影響を与える可能性がある。

ナノスタックの仕組み

IBMのナノスタック・アーキテクチャの基本単位は、2つのトランジスタを積層し接合した構造で、それぞれが厚さ5ナノメートル（シリコン原子約15列分）の3枚のナノシートを含む。トランジスタを垂直方向にずらして配置することで、IBMはチップスケーリングに事実上3つ目の軸を追加した。半導体業界は1959年にトランジスタが発明されて以来、2次元方向での微細化をほぼ使い果たしている。

「これは半導体業界にとって初めて、トランジスタを垂直方向に積層しずらして配置できるようになることを意味します」と、IBMのシリコンテクノロジー研究開発担当バイスプレジデント、フイミン・ブー氏は述べた。

このアプローチは根本的な問題に対処する。従来のトランジスタ微細化は原子の限界に近づいており、プロセッサに最も近いメモリセルを縮小するSRAMスケーリングは、3nm世代から2nm世代の間でわずか数%の改善に留まっていた。IBMの段差型チャネルビットセルによる40%のSRAM改善は、進歩がほぼ停滞していた領域における画期的な進展である。

AIデータセンターとの関連性

このブレークスルーのタイミングは、AIインフラ投資の転換点と一致している。NvidiaのBlackwell GPU（TSMCの4nmノードで製造）や、今後登場する3nmベースのRubinプラットフォームは、いずれもデータセンターの電力・熱制約に直面している。Microsoft、Amazon、Alphabetなどのハイパースケーラーは、GPUクラスターに年間数百億ドルを投じており、エネルギーコストは拡大の制約要因となっている。

「誰もがより高い性能を求めるが、その電力代を支払いたいと思う者はいない」とブー氏は述べた。

IBMのSRAM改善が特に重要なのは、多くのAIチップがデータ移動を減らすためにダイ面積の大部分をオンチップメモリに割いているからだ。データ移動はAI推論におけるエネルギー消費の最大要因の一つである。より効率的なSRAM設計によりキャッシュ容量が増加し、プロセッサと外部メモリ間のデータ移動の必要性が低減され、AIワークロードの総所有コスト（TCO）を直接的に引き下げることができる。

商用化への道筋

IBMは、本技術はまだ研究段階にあり、サブ1nmノードでの最初の採用は5年以内と見込んでいると慎重な姿勢を示した。同社は日本のRapidusと2nm製造で協力しており、ニューヨーク州アルバニーの施設でASMLのHigh NA EUVリソグラフィ装置を使用する準備を進めている。この装置は、ナノスタックに必要な超高精度の回路パターンを描画するために不可欠である。

ガンベッタ氏は具体的な商業化パートナーの名前は明かさなかったが、このアーキテクチャはCPU、GPU、モバイルプロセッサにわたって適用可能な汎用性を持つと述べた。「10年以内に、これは私たちが発明し、業界の変革に貢献したもう一つの主流技術になるでしょう」とブー氏は語った。

投資家にとっての課題は、ナノスタックがナノシートの成功事例（IBMの研究がTSMCやサムスンに採用され業界標準となった）の道をたどるのか、それとも実験室の好奇心に留まるのかという点だ。IBM株は予想利益の約22倍で取引されており、株価の評価は半導体知的財産よりもソフトウェアおよびコンサルティング事業によって主に牽引されている。ナノスタックのライセンスパイプラインが成功すれば、新たな収益源が追加される可能性があるが、同社は現在までにライセンス契約を開示していない。

本記事は情報提供のみを目的としており、投資助言を構成するものではありません。