IBM宣布推出全球首個(gè)2nm芯片制造技術(shù)

其實(shí)，已開發(fā)出的2nm芯片和即將商用之間沒(méi)有必然聯(lián)系。

2nm芯片真的來(lái)了？

IBM宣布推出全球首個(gè)2nm芯片制造技術(shù)引起了大家的注意。與7nm的技術(shù)相比，預(yù)計(jì)將帶來(lái)45%的性能提升或75%的能耗降低，而比起當(dāng)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(jī)的電池壽命延長(zhǎng)三倍，用戶只充電一次可以用四天；

為碳中和做出貢獻(xiàn)；

互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)更好；

賦能自動(dòng)駕駛，縮短響應(yīng)時(shí)間... ...

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IBM的2nm芯片制程可不好生產(chǎn)

臺(tái)積電的5nm芯片每平方毫米約有1.73億個(gè)晶體管，三星的5nm芯片每平方毫米約有1.27億個(gè)晶體管。這樣對(duì)比來(lái)看，IBM 2nm晶體管密度達(dá)到了臺(tái)積電5nm的2倍。

而Intel的7nm晶體管密度超越了臺(tái)積電5nm，也超過(guò)了三星的7nm，因此有業(yè)內(nèi)人士表示IBM 2nm芯片在規(guī)格上強(qiáng)于臺(tái)積電的3nm。

而每平方毫米有大約3.33億個(gè)晶體管的IBM新型2nm芯片，可不是好生產(chǎn)的。

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

通過(guò)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(shí)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(zhǎng)度12nm。

IBM表示，該芯片首次使用底部電介質(zhì)隔離，實(shí)現(xiàn)12nm的柵極長(zhǎng)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(gè)新技術(shù)就是IBM提出的內(nèi)部空間干燥工藝，這有助于實(shí)現(xiàn)納米片的開發(fā)。

并且該芯片廣泛地使用EUV技術(shù)，例如在芯片過(guò)程的前端進(jìn)行EUV圖案化，不僅是在中間和后端。

而這樣的技術(shù)最終可以讓制造2nm芯片所需的步驟比7nm少得多，能促進(jìn)整個(gè)晶圓廠的發(fā)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(jù)需要增大和減小，例如，用于手持設(shè)備的電壓較低，而用于百億超級(jí)計(jì)算機(jī)的CPU的電壓較高。

IBM并未透露這種2nm技術(shù)是否會(huì)采用硅鍺通道，但是顯然有可能。

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誰(shuí)能幫IBM造2nm？

這么強(qiáng)悍的芯片來(lái)襲，就涉及到生產(chǎn)了。IBM能自己解決嗎？

其實(shí)，早期IBM在半導(dǎo)體制造行業(yè)有深厚的技術(shù)積累。例如32nm節(jié)點(diǎn)上AMD使用的SOI工藝也來(lái)自IBM合作研發(fā)。

IBM曾經(jīng)擁有過(guò)自己的晶圓廠，Power處理器就是自產(chǎn)自銷。后期因?yàn)闃I(yè)務(wù)調(diào)整，2014年將晶圓業(yè)務(wù)及技術(shù)、專利賣給了格芯。然而2018年8月，格芯宣布無(wú)限期停止7nm工藝的投資研發(fā)，轉(zhuǎn)而專注現(xiàn)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(zhuǎn)向臺(tái)積電，當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)紛紛表示IBM很受傷。

如今的IBM沒(méi)有了自己的代工廠。

目前來(lái)看，臺(tái)積電和三星正在生產(chǎn)5nm芯片，英特爾則致力于7nm芯片技術(shù)。而按投產(chǎn)進(jìn)度來(lái)看，臺(tái)積電目前計(jì)劃在今年年底開工投產(chǎn)的4nm芯片工藝，大批量生產(chǎn)要等到2022年；3nm芯片技術(shù)投產(chǎn)進(jìn)程預(yù)計(jì)更晚，要到2022年下半年；2nm芯片技術(shù)更是仍處于相對(duì)早期的開發(fā)階段。

這樣的時(shí)間推算也是在半導(dǎo)體公司不遇到拖延的情況下的假設(shè)。

關(guān)于3nm制程工藝，業(yè)內(nèi)表示將于今年進(jìn)行試產(chǎn)，2022年量產(chǎn)大概率可以量產(chǎn)。那么2nm呢？

2020年9月，經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)曾報(bào)道，臺(tái)積電宣布2nm制程獲得了重大突破，當(dāng)時(shí)供應(yīng)鏈預(yù)計(jì)2023年下半年可望進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)性試產(chǎn)，2024年正式量產(chǎn)。

而在GAA技術(shù)的采用上，三星3nm就導(dǎo)入GAA。關(guān)于GAA工藝，2019年5月，在當(dāng)時(shí)的 SFF（Samsung Foundry Forum）美國(guó)分會(huì)上，三星就表示將在2021年推出基于 3nm GAA工藝的產(chǎn)品，并表示該產(chǎn)品的性能提高 35%、功耗降低 50%、芯片面積縮小45%。

當(dāng)時(shí)三星公布的消息引起了轟動(dòng)，畢竟英特爾10nm還沒(méi)量產(chǎn)，三星的3nm就要來(lái)了。

而臺(tái)積電要到2nm才會(huì)導(dǎo)入GAA技術(shù)。相比于三星，臺(tái)積電切入GAA工藝較晚，雖然這與臺(tái)積電本身FinFET的巨大成功有一定的關(guān)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間周期。

如今IBM將大多數(shù)芯片的生產(chǎn)外包給了三星，包括Power 10服務(wù)器處理器，IBM在美國(guó)紐約州的奧爾巴尼仍保留著一處芯片研發(fā)中心，該中心負(fù)責(zé)對(duì)芯片進(jìn)行研發(fā)和測(cè)試，并與三星和英特爾簽署了聯(lián)合技術(shù)開發(fā)協(xié)議。有媒體表示，IBM此次發(fā)布的2nm芯片制程正是在這個(gè)研發(fā)中心設(shè)計(jì)和制造的。

2015年，IBM研發(fā)出了7nm原型芯片，2017年，IBM又全球首發(fā)了5nm原型芯片。據(jù)報(bào)道，這些都是IBM與三星、格芯等幾家公司共同合作研發(fā)的成果，而格芯在2018年放棄了7nm，就此業(yè)內(nèi)分析稱，大概率IBM會(huì)找三星代工。

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三星真的會(huì)是2nm贏家嗎？

隨著工藝的發(fā)展，有能力制造先進(jìn)節(jié)點(diǎn)芯片的公司數(shù)量在不斷減少。其中一個(gè)關(guān)鍵的原因是新節(jié)點(diǎn)的成本卻越來(lái)越高，例如臺(tái)積電最先進(jìn)的300mm晶圓廠耗資200億美元。

在7nm以下，靜態(tài)功耗再次成為嚴(yán)重的問(wèn)題，功耗和性能優(yōu)勢(shì)也開始減少。過(guò)去，芯片制造商可以預(yù)期晶體管規(guī)格微縮為70%，在相同功率下性能提高40%，面積減少50%?，F(xiàn)在，性能的提升在15- 20%的范圍，就需要更復(fù)雜的流程，新材料和不一樣的制造設(shè)備。

為了降低成本，芯片制造商已經(jīng)開始部署比過(guò)去更加異構(gòu)的新架構(gòu)，并且他們對(duì)于在最新的工藝節(jié)點(diǎn)上制造的芯片變得越來(lái)越挑剔。

盡管GAA可以帶來(lái)性能和功耗的降低，但是成本非常高。

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)International Business Strategies （IBS）給出的數(shù)據(jù)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(huì)超過(guò)5億美元。

其實(shí)，臺(tái)積電在2nm切入GAA同樣可能存在資金的考慮。臺(tái)積電近些年的研發(fā)費(fèi)用占據(jù)營(yíng)收費(fèi)用的8%~9%，其營(yíng)收逐年增加，研發(fā)費(fèi)用也隨之增多。

對(duì)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(shù)上追趕臺(tái)積電打些基礎(chǔ)。

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寫在最后

不過(guò)，IBM已開發(fā)出2nm芯片和2nm芯片即將商用之間沒(méi)有必然聯(lián)系。

回顧IBM之前的進(jìn)程：

10nm-2014年研發(fā)成功，2017年量產(chǎn)

7nm-2015年研發(fā)成功，2018年量產(chǎn)

5nm-2017年研發(fā)成功，2020年量產(chǎn)

IBM研究部高級(jí)副總裁兼總監(jiān)DaríoGil表示：“這種新型2nm芯片所體現(xiàn)的IBM創(chuàng)新對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體和IT行業(yè)至關(guān)重要?！?/p>

關(guān)于IBM的2nm芯片，部分業(yè)內(nèi)人士表示“這就是在忽悠”，也有業(yè)內(nèi)人士表示這不是噱頭，IBM真的有技術(shù)上的創(chuàng)新。

“在芯片制造方面，特別是大規(guī)模應(yīng)用的時(shí)候，良率是重要指標(biāo)。真厲害是高良率量產(chǎn)，這也是一般公司在宣傳先進(jìn)技術(shù)的時(shí)候，總要附上客戶名單的原因?！?/p>

那么這次的2nm研發(fā)成功，該多少年后量產(chǎn)呢？難說(shuō)。但是2nm工藝是否真的成熟，研發(fā)成本真的扛得住，制造出來(lái)的芯片真的能賣出去，還需要時(shí)間的檢驗(yàn)。

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