2nm 芯片真的來了?
IBM 宣布推出全球首個 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。
IBM 成功研發(fā) 2nm 制程芯片，是噱頭還是來真的
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(lián)網(wǎng)體驗更好;
賦能自動駕駛，縮短響應(yīng)時間... ...
IBM 的 2nm 芯片制程可不好生產(chǎn)
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(yè)內(nèi)人士表示 IBM 2nm 芯片在規(guī)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(chǎn)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(zhì)隔離，實現(xiàn) 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(shù)就是 IBM 提出的內(nèi)部空間干燥工藝，這有助于實現(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(shù)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(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，而用于百億超級計算機的 CPU 的電壓較高。
IBM 并未透露這種 2nm 技術(shù)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(chǎn)了。IBM 能自己解決嗎?
其實，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)點上 AMD 使用的 SOI 工藝也來自 IBM 合作研發(fā)。
IBM 曾經(jīng)擁有過自己的晶圓廠，Power 處理器就是自產(chǎn)自銷。后期因為業(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)向臺積電，當時業(yè)內(nèi)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(chǎn) 5nm 芯片，英特爾則致力于 7nm 芯片技術(shù)。而按投產(chǎn)進度來看，臺積電目前計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)進程預(yù)計更晚，要到 2022 年下半年;2nm 芯片技術(shù)更是仍處于相對早期的開發(fā)階段。
這樣的時間推算也是在半導(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)濟日報曾報道，臺積電宣布 2nm 制程獲得了重大突破，當時供應(yīng)鏈預(yù)計 2023 年下半年可望進入風(fēng)險性試產(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(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%。
當時三星公布的消息引起了轟動，畢竟英特爾 10nm 還沒量產(chǎn)，三星的 3nm 就要來了。
而臺積電要到 2nm 才會導(dǎo)入 GAA 技術(shù)。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(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現(xiàn)量產(chǎn)，需要耗費較長的時間周期。
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，該中心負責(zé)對芯片進行研發(fā)和測試，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研發(fā)中心設(shè)計和制造的。
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 會找三星代工。
三星真的會是 2nm 贏家嗎?
隨著工藝的發(fā)展，有能力制造先進節(jié)點芯片的公司數(shù)量在不斷減少。其中一個關(guān)鍵的原因是新節(jié)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(tài)功耗再次成為嚴重的問題，功耗和性能優(yōu)勢也開始減少。過去，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)開始部署比過去更加異構(gòu)的新架構(gòu)，并且他們對于在最新的工藝節(jié)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(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(fā)費用占據(jù)營收費用的 8%~9%，其營收逐年增加，研發(fā)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(shù)上追趕臺積電打些基礎(chǔ)。
寫在最后
不過，IBM 已開發(fā)出 2nm 芯片和 2nm 芯片即將商用之間沒有必然聯(lián)系。
回顧 IBM 之前的進程：
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)新對整個半導(dǎo)體和 IT 行業(yè)至關(guān)重要。“
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)用的時候，良率是重要指標。真厲害是高良率量產(chǎn)，這也是一般公司在宣傳先進技術(shù)的時候，總要附上客戶名單的原因。”
那么這次的 2nm 研發(fā)成功，該多少年后量產(chǎn)呢?難說。但是 2nm 工藝是否真的成熟，研發(fā)成本真的扛得住，制造出來的芯片真的能賣出去，還需要時間的檢驗。
未來，當芯片突破了 1nm，還會怎么小?
