IBM、サブ1nmチップを発表—2nmノード比で50%の性能向上

IBMのナノスタックアーキテクチャは、爪先大のチップに約1000億個のトランジスタを集積し、ムーアの法則をオングストローム時代へと拡張する。

IBMは、半導体業界初となるサブ1ナノメートル（nm）のチップ技術を発表した。垂直方向に積層されたトランジスタアーキテクチャにより、爪先大のダイに約1000億個のトランジスタを搭載。これは同社の2nmノードの約2倍の集積密度に相当する。

「これは単なる漸進的な改善ではなく、意味のある飛躍前進です。大幅なエネルギー増加を伴わずに、コンピューティングがはるかに強力になる未来を示しています」と、IBMリサーチのディレクター兼IBMフェローのジェイ・ガンベッタ氏は述べた。

公表された技術結果によると、0.7ナノメートル（7オングストローム）ノードは、2021年に導入されたIBMの2nmノードチップと比較して、最大50%の性能向上、または70%のエネルギー効率改善を実現する。ナノスタックアーキテクチャは、IBMが先駆け、現在TSMCやその他のファウンドリにおける3nmおよび2nmチップの業界標準となっているナノシート技術を基盤に、ウェハー表面での微細化ではなくトランジスタを垂直に積層する方式を採用している。

この画期的な進歩は、半導体ロードマップを少なくともあと10年延長するものであり、依然としてナノシートトランジスタを二次元的にスケーリングしている競合他社との技術格差を広げる可能性がある。IBMは5年以内の商用化、10年以内の量産を見込んでおり、TSMC、サムスン・ファウンドリ、インテル間の競争力学を再形成する可能性がある。

ナノスタック設計は、逐次3D集積技術を用いて、それぞれ厚さ5nm（シリコン原子約15列分に相当）のナノシートを3枚ずつ持つ2つのトランジスタを、1つの積層ユニットに結合する。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、従来の平面構造では困難な性能と電力の最適化が実現できる。

IBMの研究者らは、2025年のIEEE VLSI技術・回路シンポジウムで発表した機能的CMOSインバータ動作と期待通りのスイッチング性能を通じて、本技術の実用性を実証した。さらにVLSI 2026シンポジウムでは、ビットセルの高さを低減する千鳥チャネル設計により、SRAMのスケーリングが40%改善されたことを示した。ガンベッタ氏は、この進展は、コンピューティングリソースに近接した高帯域・高効率メモリを必要とするAIワークロードにとって重要な意味を持つ可能性があると述べた。

SRAMスケーリングの成果は、AIチップ設計における深刻化するボトルネックに対処するものだ。ガンベッタ氏によれば、SRAMスケーリングは3nm世代から2nm世代への移行で数%しか改善しておらず、今回の40%の改善は、オンチップメモリに大きく依存するAIアクセラレータを設計するチップアーキテクトにとって構造的な変化となる。オンチップメモリは、AI推論における最大のエネルギー消費源の一つであるデータ移動を削減するために重要である。

IBMのシリコン技術研究開発担当バイスプレジデント、ブ・フイミン氏は、業界は1959年にMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）が発明されて以来、トランジスタを主に二次元的にスケーリングしてきたと述べ、「業界として初めて、トランジスタを垂直方向に積層し、千鳥配置にすることが可能になります」と語った。

本研究は、ニューヨーク州オールバニにあるIBMの半導体研究施設で行われている。同施設では、Lam Research、Tokyo Electron、SCREEN Semiconductor Solutionsを含むパートナー企業と共に、ASMLホールディング社製の高NA（開口数）極端紫外線（EUV）リソグラフィ装置の導入を準備している。IBMによれば、高NA EUVは将来のロジックスケーリングに不可欠であり、ナノスタックが量産に至る前のナノシート技術の改善にも寄与する可能性があるという。

IBMはナノスタックの商用化パートナーを公表していないが、2nm製造においては日本のRapidusと協業している。同社が過去にサムスンなどのパートナーにチップ技術をライセンス提供してきた実績は、ナノスタックでも同様のモデルが採用される可能性を示唆している。IBMの先駆的業績の後、独自に2nmノード向けナノシートトランジスタを開発したTSMCは、競争力を維持するために独自の3D積層ソリューションの開発を迫られている。

投資家にとって、その影響は複数のティッカーに及ぶ。IBMのブレークスルーは、TSMCやインテルに自社のサブ1nmロードマップを加速させる圧力をかけ、業界全体の研究開発費を増加させる可能性がある。ナノスタックが予測通りの50%の性能向上を実現すれば、AIチップに年間数百億ドルを投じるハイパースケールクラウド事業者（アマゾン、マイクロソフト、グーグル）の調達判断を変える可能性もある。IBM自身は商業的なチップメーカーではないが、本アーキテクチャからのライセンス収入を見込んでいる。ただし、同社は財務条件を開示していない。

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。