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IBM成功研發2nm制程芯片體積更小速度更快

2021-05-08 10:41:07來源：雷鋒網

2nm 芯片真的來了?

IBM 宣布推出全球首個 2nm 芯片制造技術引起了大家的注意。與 7nm 的技術相比，預計將帶來 45% 的性能提升或 75% 的能耗降低，而比起當前最尖端的 5nm 芯片，2nm 芯片的體積更小、速度更快。

從 IBM 的表述意味著：

手機的電池壽命延長三倍，用戶只充電一次可以用四天;

為碳中和做出貢獻;

互聯網體驗更好;

賦能自動駕駛，縮短響應時間... ...

IBM 的 2nm 芯片制程可不好生產

臺積電的 5nm 芯片每平方毫米約有 1.73 億個晶體管，三星的 5nm 芯片每平方毫米約有 1.27 億個晶體管。這樣對比來看，IBM 2nm 晶體管密度達到了臺積電 5nm 的 2 倍。

而 Intel 的 7nm 晶體管密度超越了臺積電 5nm，也超過了三星的 7nm，因此有業內人士表示 IBM 2nm 芯片在規格上強于臺積電的 3nm。

而每平方毫米有大約 3.33 億個晶體管的 IBM 新型 2nm 芯片，可不是好生產的。

IBM 表示，其采用 2nm 工藝制造的測試芯片可以在一塊指甲大小的芯片中容納 500 億個晶體管，而 2nm 小于我們 DNA 單鏈的寬度。

通過圖片可以看到，IBM 新型 2nm 芯片采用納米片堆疊的晶體管，有時也被稱為 gate all around 或 GAA 晶體管。

IBM 的三層 GAA 納米片，每片納米片寬 40nm，高 5nm，間距 44nm，柵極長度 12nm。

IBM 表示，該芯片首次使用底部電介質隔離，實現 12nm 的柵極長度，可以減少電流泄漏，有助于減少芯片上的功耗。

該芯片另一個新技術就是 IBM 提出的內部空間干燥工藝，這有助于實現納米片的開發。

并且該芯片廣泛地使用 EUV 技術，例如在芯片過程的前端進行 EUV 圖案化，不僅是在中間和后端。

而這樣的技術最終可以讓制造 2nm 芯片所需的步驟比 7nm 少得多，能促進整個晶圓廠的發展，也可能降低部分成品晶圓的成本。

最后，2nm 晶體管的閾值電壓(上表中的 Vt)可以根據需要增大和減小，例如，用于手持設備的電壓較低，而用于百億超級計算機的 CPU 的電壓較高。

IBM 并未透露這種 2nm 技術是否會采用硅鍺通道，但是顯然有可能。

誰能幫 IBM 造 2nm?

這么強悍的芯片來襲，就涉及到生產了。IBM 能自己解決嗎?

其實，早期 IBM 在半導體制造行業有深厚的技術積累。例如 32nm 節點上 AMD 使用的 SOI 工藝也來自 IBM 合作研發。

IBM 曾經擁有過自己的晶圓廠，Power 處理器就是自產自銷。后期因為業務調整，2014 年將晶圓業務及技術、專利賣給了格芯。然而 2018 年 8 月，格芯宣布無限期停止 7nm 工藝的投資研發，轉而專注現有 14/12nm FinFET 工藝及 22/12nm FD-SOI 工藝，隨之 AMD 宣布將 CPU 及 GPU 全面轉向臺積電，當時業內紛紛表示 IBM 很受傷。

如今的 IBM 沒有了自己的代工廠。

目前來看，臺積電和三星正在生產 5nm 芯片，英特爾則致力于 7nm 芯片技術。而按投產進度來看，臺積電目前計劃在今年年底開工投產的 4nm 芯片工藝，大批量生產要等到 2022 年;3nm 芯片技術投產進程預計更晚，要到 2022 年下半年;2nm 芯片技術更是仍處于相對早期的開發階段。

這樣的時間推算也是在半導體公司不遇到拖延的情況下的假設。

關于 3nm 制程工藝，業內表示將于今年進行試產，2022 年量產大概率可以量產。那么 2nm 呢?

2020 年 9 月，經濟日報曾報道，臺積電宣布 2nm 制程獲得了重大突破，當時供應鏈預計 2023 年下半年可望進入風險性試產，2024 年正式量產。

而在 GAA 技術的采用上，三星 3nm 就導入 GAA。關于 GAA 工藝，2019 年 5 月，在當時的 SFF(Samsung Foundry Forum)美國分會上，三星就表示將在 2021 年推出基于 3nm GAA 工藝的產品，并表示該產品的性能提高 35%、功耗降低 50%、芯片面積縮小 45%。

當時三星公布的消息引起了轟動，畢竟英特爾 10nm 還沒量產，三星的 3nm 就要來了。

而臺積電要到 2nm 才會導入 GAA 技術。相比于三星，臺積電切入 GAA 工藝較晚，雖然這與臺積電本身 FinFET 的巨大成功有一定的關系，但可能更多的原因在于若采用新的工藝，從決定采用到最終實現量產，需要耗費較長的時間周期。

如今 IBM 將大多數芯片的生產外包給了三星，包括 Power 10 服務器處理器，IBM 在美國紐約州的奧爾巴尼仍保留著一處芯片研發中心，該中心負責對芯片進行研發和測試，并與三星和英特爾簽署了聯合技術開發協議。有媒體表示，IBM 此次發布的 2nm 芯片制程正是在這個研發中心設計和制造的。

2015 年，IBM 研發出了 7nm 原型芯片，2017 年，IBM 又全球首發了 5nm 原型芯片。據報道，這些都是 IBM 與三星、格芯等幾家公司共同合作研發的成果，而格芯在 2018 年放棄了 7nm，就此業內分析稱，大概率 IBM 會找三星代工。

三星真的會是 2nm 贏家嗎?

隨著工藝的發展，有能力制造先進節點芯片的公司數量在不斷減少。其中一個關鍵的原因是新節點的成本卻越來越高，例如臺積電最先進的 300mm 晶圓廠耗資 200 億美元。

在 7nm 以下，靜態功耗再次成為嚴重的問題，功耗和性能優勢也開始減少。過去，芯片制造商可以預期晶體管規格微縮為 70%，在相同功率下性能提高 40%，面積減少 50%。現在，性能的提升在 15- 20% 的范圍，就需要更復雜的流程，新材料和不一樣的制造設備。

為了降低成本，芯片制造商已經開始部署比過去更加異構的新架構，并且他們對于在最新的工藝節點上制造的芯片變得越來越挑剔。

盡管 GAA 可以帶來性能和功耗的降低，但是成本非常高。

市場研究機構 International Business Strategies (IBS)給出的數據顯示，28nm 工藝的成本為 0.629 億美元，5nm 將暴增至 4.76 億美元。三星也表示自己的 3nm GAA 成本可能會超過 5 億美元。

其實，臺積電在 2nm 切入 GAA 同樣可能存在資金的考慮。臺積電近些年的研發費用占據營收費用的 8%~9%，其營收逐年增加，研發費用也隨之增多。

對于三星而言，如果真的為 IBM 代工，那么或許可以為三星在技術上追趕臺積電打些基礎。