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世界首个2nm制程芯片公布!这次IBM跑在了台积电三星英特尔前面

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萧箫 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号QbitAI

  首个2nm制程芯片,竟然是IBM先发布的。

  

  没错,不是已经研究出3nm技术的台积电,也不是已经量产5nm芯片的三星,而是IBM。

  据IBM官方表示,这种技术能在指甲盖大小(150mm²)的芯片上安装500亿个晶体管。

  

  相比于7nm芯片,这种技术预计将提升45%的性能、并降低75%的能耗。

  不过,这并不意味着IBM就具备量产2nm芯片的能力,因为这项技术是在它位于纽约州奥尔巴尼(Albany)的芯片制造研究中心做出来的,但量产还涉及许多其他技术。

  

  由于IBM自己没有10nm制程以下的晶圆厂,因此要想这个2nm工艺实现量产,可能还需要找其他晶圆厂代工。

  这么看来,距离我们真正用上2nm芯片,可能还需要几年的时间。

  那么,2nm芯片到底怎么做出来的?

  IBM的2nm,什么技术?

  此前,业界普遍采用FinFET(鳍式场效应晶体管)结构,但在5nm节点后,这种结构难以满足晶体管所需的静电控制,出现严重的漏电现象。

  三星率先采用了名为GAA(gate-all-around,环绕式栅极)的晶体管技术,对3nm制程芯片进行研发,IBM的2nm制程所采用的技术,也同样是GAA。

  其中,GAA分为纳米线结构(下图左三)和纳米结构(下图右一,MBCFET是三星商标)两种,这次IBM采用的就是纳米片结构。

  

  相比于纳米线结构,纳米片结构的长宽比较高,接触面积更大,但也更难控制片与片之间的刻蚀与薄膜生长。

  从图中可见,IBM的2nm芯片中,纳米片共有三层,每片纳米片宽40nm,高5nm,间距44nm,栅极长度12nm

  

  嗯???

  没错。这里IBM的2nm早已经不指栅极长度(MOS管的最小沟道长度),而是等效成了芯片上的晶体管节点密度

  密度越大,芯片的性能就越高。至于2nm,只是一个命名方式而已。

  这个芯片的密度达到了333MTr/mm²,即每平方毫米容纳3.3亿个晶体管。

  作为对比,台积电的5nm芯片密度为171.3MTr/mm²,三星的5nm芯片密度则为127MTr/mm²

  

  除此之外,IBM的2nm芯片,这次还采用了不少其他技术:

  

  • 底部电介质隔离(bottom dielectric isolation),用于减少漏电、降低功耗
  • 内层空间干燥处理(inner space dry process),用于精准门控
  • EUV光刻技术,用于图案化薄膜或大部分晶片部件

  

  对于这次研究的突破,IBM混合云研究副总裁Mukesh Khare表示:

  

没什么障碍是我们不能突破的。随着技术成熟,还会有更多突破出现。相比于困难,我看到的反而是创新的动力和前进的机会。

  不过,这并不意味着2nm芯片实现了量产。

  实验室做出来≠量产

  一个工艺从实验室出来,到大规模量产,过程中需要芯片代工厂不断提升晶圆良率

  

晶圆良率,指完成所有工艺步骤后,测试合格的芯片的数量与整片晶圆上的有效芯片的比值。

  因此,晶圆良率决定了芯片的工艺成本。

  

  要是一个工艺的晶圆良率上不去,量产可能反而会导致芯片亏损。

  而目前,IBM的2nm芯片还停留在实验室阶段,只是制造出来而已。

  除此之外,也还需要考虑光刻机等工具的进展。

  比较有意思的是,IBM现在是没有大规模量产芯片的能力的,更可能将这项工艺交给三星等芯片制造商代工(目前已与英特尔和三星签署联合开发协议)。

  

  IBM虽然曾经也是芯片制造商之一,却在2014年将自己的晶圆厂出售给了格罗方德(据说IBM还向格罗方德交了15亿美元,才把晶圆厂塞给它)。

  那么,目前几家芯片厂商的进展具体如何呢?

  从量产情况来看,台积电和三星均已实现了5nm量产。

  而从制造工艺来看,IBM直接实现了2nm的飞跃,台积电目前研发出3nm制程,预计今明两年实现量产。

  

  三星目前也在研发3nm制程的芯片。至于英特尔,则还在7nm芯片上挣扎,量产预计要等到2023年。

  不过,从图中也能看出,各厂商对于芯片的命名标准并不一致。

  对于IBM的这次突破,市场分析公司IDC的研究主管Peter Rudden表示:

  

这可以被看成是一个突破,毕竟对于某些厂商来说,7nm就已经是个巨大的挑战了。
同时,这也向IT行业传递了一个信号,即IBM仍然是一家硬件厂商巨头。

  

  不过,也有网友表示,这并不意味着IBM的进程就超过了台积电:“关键在于大规模量产,然而,IBM现在还没有自己的晶圆厂。”

  让我们期待一波2nm制程芯片量产的消息。

  [1]https://newsroom.ibm.com/2021-05-06-IBM-Unveils-Worlds-First-2-Nanometer-Chip-Technology,-Opening-a-New-Frontier-for-Semiconductors#assets_all

  [2]https://www.anandtech.com/show/16656/ibm-creates-first-2nm-chip

  [3]https://www.nextplatform.com/2021/05/06/ibm-chips-in-to-drive-2-nanometer-semiconductor-manufacturing/

  [4]https://www.bbc.com/news/technology-57009930

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