IBM發(fā)布全球首個(gè)2nm芯片，共容納了500億個(gè)晶體管

有無數(shù)的人認(rèn)為摩爾定律要死了，芯片產(chǎn)業(yè)要遇到瓶頸了，沒想到，它不聲不響已經(jīng)來到了2nm。

從10微米到2納米，晶體管數(shù)量從幾千個(gè)到幾億個(gè)，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，全都濃縮在了這塊小小的芯片上。

從3nm走向2nm

半導(dǎo)體歷史上出現(xiàn)新里程碑：IBM于紐約時(shí)間5月6日在其官網(wǎng)宣布制造出世界上第一顆2nm芯片，揭開了半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和工藝方面的突破。

IBM預(yù)計(jì)與當(dāng)今最新一代的AMD最新一代CPU和GPU所采用的最先進(jìn)的7nm芯片相比，2nm芯片將實(shí)現(xiàn)提高45％的性能或降低75％的功耗。

該芯片的制造者為IBM奧爾巴尼研究室（IBM Research Albany），該實(shí)驗(yàn)室與三星和英特爾簽署了聯(lián)合技術(shù)開發(fā)協(xié)議，商定合作使用IBM的芯片制造技術(shù)。

目前擔(dān)任IBM混合云研究副總裁的MukeshKhare帶領(lǐng)其完成了2納米技術(shù)的突破。

在這個(gè)芯片上，IBM用上了一個(gè)被稱為納米片堆疊的晶體管，它將NMOS晶體管堆疊在PMOS晶體管的頂部，而不是讓它們并排放置以獲取電壓信號(hào)并將位從1翻轉(zhuǎn)為零或從0翻轉(zhuǎn)為1。

這些晶體管有時(shí)也稱為gateallaround或GAA晶體管，這是當(dāng)前在各大晶圓廠被廣泛采用的3D晶體管技術(shù)FinFET的接班人。

FinFET晶體管將晶體管的源極和漏極通道拉入柵極，而納米片將多個(gè)源極和漏極通道嵌入單個(gè)柵極以提高密度。

IBM采用2納米工藝制造的測(cè)試芯片，每平方毫米面積上的晶體管數(shù)量平均下來是3.3億個(gè)，在指甲大小的芯片中，一共容納了500億個(gè)晶體管。

在IBM的這個(gè)實(shí)現(xiàn)方案下，納米片有三層，每片的寬度為40納米，高度為5納米。（注意，這里沒有測(cè)量的特征實(shí)際上是在2納米處。

2納米芯片的制造還包括首次使用所謂的底部電介質(zhì)隔離，它可以減少電流泄漏，因此有助于減少芯片上的功耗。

重要的是，IBM這個(gè)芯片上的所有關(guān)鍵功能都將使用EUV光刻技術(shù)進(jìn)行蝕刻，IBM也已經(jīng)弄清楚了如何使用單次曝光EUV來減少用于蝕刻芯片的光學(xué)掩模的數(shù)量。

這樣的改善帶來的最終結(jié)果是，制造2納米芯片所需的步驟要比7納米芯片少得多，這將促進(jìn)整個(gè)晶圓廠的發(fā)展，并可能也降低某些成品晶圓的成本。

與當(dāng)前將使用在Power10芯片的7納米制程相比，這種2納米制程有望將速度提高45％或以相同速度運(yùn)行，將功耗降低75％。

GAA才是這一事件的核心

2nm芯片相對(duì)于產(chǎn)業(yè)界來說，卻仍然是個(gè)短時(shí)間內(nèi)無法企及的美好夢(mèng)想。

這次IBM在2nm制程的芯片上用了一種叫GAA（Gate All Around）環(huán)繞式柵極的技術(shù)。

相比之下，該芯片對(duì)GAA工藝的應(yīng)用實(shí)踐，反而更具意義。

IBM這一創(chuàng)新或意味著先進(jìn)制程芯片的架構(gòu)從FinFET轉(zhuǎn)向GAA工藝的趨勢(shì)。

這項(xiàng)技術(shù)最早是由三星先采用的，分為納米線和納米片結(jié)構(gòu)，好處是能解決原先5nm工藝中遇到的漏電情況。

簡單來說，這項(xiàng)技術(shù)讓晶體管之間的密度更高，空間優(yōu)化處理的更好，從而帶來更強(qiáng)的算力。

與GAA相對(duì)應(yīng)的是FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管），F(xiàn)inFET是芯片從22nm逐步進(jìn)軍7nm、5nm的關(guān)鍵工藝。

本質(zhì)上，IBM的2nm并沒有突破物理極限，而是采用了新的GAA架構(gòu)，雖然可以通過增大晶體管節(jié)點(diǎn)的密度，來提升芯片的性能，但是這種解決方案也不是萬能的，缺點(diǎn)也很明顯。

如果找不到新的突破口的話，最壞的結(jié)果就是整個(gè)芯片行業(yè)可能會(huì)停滯不前。

如果按照這個(gè)思路繼續(xù)往下推導(dǎo)的話，IBM的2nm可能沒有想象中的那么好，往往理論并不能代表實(shí)際表現(xiàn)。

2nm芯片的潛在優(yōu)勢(shì)

業(yè)界對(duì)IBM制造出2nm芯片表現(xiàn)出極大興趣，很大程度在于2nm芯片意味著芯片性能的極大提升。

①大幅提高芯片性能；其2nm架構(gòu)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的7nm相同的性能下，僅使用現(xiàn)在25%的電力，手機(jī)電池壽命增加三倍，僅要求用戶每四天為設(shè)備充電一次。

②降低碳排放：數(shù)據(jù)中心占全球能源使用量的百分之一，將其所有服務(wù)器更改為基于2nm的處理器可能會(huì)大大削減數(shù)據(jù)中心的碳足跡。

③提升筆記本訪問速度：從更快地處理應(yīng)用程序到更輕松地協(xié)助語言翻譯以及更快地訪問互聯(lián)網(wǎng)，極大地加快了筆記本電腦的功能。

④促進(jìn)新應(yīng)用落地：有助于自動(dòng)駕駛汽車（例如自動(dòng)駕駛汽車）中更快的物體檢測(cè)和反應(yīng)時(shí)間。

IBM背后的受制于人

就目前來看，IBM的2nm芯片還處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離量產(chǎn)商用還很遙遠(yuǎn)。

即便解決了晶圓良率問題，IBM現(xiàn)在也沒有大規(guī)模實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)芯片的能力，反倒是有可能將這項(xiàng)制程工藝交給像臺(tái)積電、三星這樣的芯片制作商進(jìn)行代工。

因?yàn)镮BM在2014年將自己的晶圓廠賣給了格羅方德，所以，現(xiàn)在的IBM可以說是“力不從心”。

雖然IBM公司成為了首個(gè)制造出2nm制程芯片的公司，但是這并不意味著IBM就在半導(dǎo)體領(lǐng)域上超越了臺(tái)積電和三星。

因?yàn)閺膶?shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)，其中要走過的道路是非常漫長且艱難的，實(shí)際上我國在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下也能制造出先進(jìn)制程的芯片，但因?yàn)闊o法做到量產(chǎn)，所以才會(huì)受制于人。

所以，IBM只負(fù)責(zé)芯片IC技術(shù)研究、設(shè)計(jì)部分，這顆全球首個(gè)2nm芯片目前依然是在概念階段，用于研發(fā)用途，距離最后量產(chǎn)依然有很長的路要走。

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。

盡管GAA可以帶來性能和功耗的降低，但是成本非常高。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3nmGAA成本可能會(huì)超過5億美元。

IBM雖然有更先進(jìn)的制造技術(shù)，但是在合同上已經(jīng)簽訂好允許三星等芯片制造商運(yùn)用IBM的技術(shù)來制造芯片。

也就是說三星等芯片制造商是完全可以使用IBM的2nm工藝設(shè)計(jì)的芯片技術(shù)來量產(chǎn)芯片。

中國芯片急需加速

自從華為的芯片制造遭到美國的技術(shù)封鎖后，中國在芯片制造領(lǐng)域的布局開始站上舞臺(tái)中央。

根據(jù)我國下一個(gè)五年計(jì)劃規(guī)定，國產(chǎn)芯片自主率力爭達(dá)到75%，并且芯片制造技術(shù)要取得重要突破，也就是在2025年之前，以上目標(biāo)均要得到兌現(xiàn)。

目前，我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)28nm的芯片自主制造，并且芯片設(shè)計(jì)已經(jīng)突破3nm，更關(guān)鍵的是，中芯國際也即將借助向ASML購買的光刻機(jī)進(jìn)行7nm芯片生產(chǎn)。

另外，臺(tái)積電將計(jì)劃在南京建廠，雖然這在很多人覺得這將會(huì)對(duì)中芯國際的發(fā)展造成影響，但是，臺(tái)積電赴大陸設(shè)廠，同時(shí)也會(huì)帶來生產(chǎn)技術(shù)，這是一個(gè)契機(jī)，同時(shí)也是一種機(jī)遇。

結(jié)尾：

2nm光是性能的噱頭，廠商們不超頻拉個(gè)性能，那肯定是說不過去的，目前沒有一家手機(jī)公司，會(huì)因?yàn)樽非罄m(xù)航而放棄硬件性能。

總的來說，IBM這次的2nm芯片，秀肌肉的意義會(huì)大一些，對(duì)于他們來說，確保量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)才是重中之重。

所以面對(duì)具有完善體系的三星與臺(tái)積電等芯片制造商，IBM不具備優(yōu)勢(shì)，就算加大力度建造制造芯片的工廠，那么想追趕三星與臺(tái)積電也是很難追上的，所以IBM的芯片并不會(huì)改變世界芯片的格局。

部分資料參考：半導(dǎo)體行業(yè)觀察：《IBM發(fā)布全球首個(gè)2nm芯片，背后技術(shù)全揭秘》，芯師爺：《全球首個(gè)2nm芯片問世！臺(tái)積電霸主地位不保？》，陳述根本：《IBM首發(fā)2nm芯片技術(shù)，為芯片市場(chǎng)再注生力》，鈦媒體：《IBM發(fā)布全球首個(gè)2nm芯片制造技術(shù)，“藍(lán)色巨人”是如何做到的？》雷鋒網(wǎng)：《IBM的2nm芯片制程，是噱頭還是來真的？》

部分圖片來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察、中國臺(tái)灣經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)、IBM官網(wǎng)