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。
IBM 成功研發(fā) 2nm 制程芯片，是噱頭還是來(lái)真的
從 IBM 的表述意味著：
手機(jī)的電池壽命延長(zhǎng)三倍，用戶(hù)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... ...
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(chēng)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(kāi)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(chǎng)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。
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(chǎng)，Power 處理器就是自產(chǎn)自銷(xiāo)。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(zhuān)利賣(mài)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(zhuān)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(chǎng)。
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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(chēng)，大概率 IBM 會(huì)找三星代工。
三星真的會(huì)是 2nm 贏(yíng)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(chǎng)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(kāi)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(kāi)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)。
寫(xiě)在最后
不過(guò)，IBM 已開(kāi)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。“
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(hù)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(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(mài)出去，還需要時(shí)間的檢驗(yàn)。
未來(lái)，當(dāng)芯片突破了 1nm，還會(huì)怎么小?
