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？

鈦媒體 App 2021-05-07 11:05 搶發(fā)第一評

（圖片來源：IBM官網(wǎng)）

藍(lán)色巨人終于開始發(fā)力。

5月7日消息，IBM公司周四宣布，其在芯片制程工藝上取得重大突破，聲稱已打造出全球首個(gè)2nm芯片制造技術(shù)，為半導(dǎo)體研發(fā)再創(chuàng)新的里程碑。

IBM在新聞稿中稱，在運(yùn)行速度方面，與當(dāng)前許多筆記本電腦和手機(jī)中使用的主流7nm芯片相比，IBM的這顆2nm芯片計(jì)算速度要快45%，能源效率也高出75%，電池壽命最高可提升4倍，這代表用戶每4天僅需為設(shè)備充電1次。

另外，相較于當(dāng)前最先進(jìn)的5nm芯片（目前僅有蘋果iPhone 12等旗艦智能手機(jī)才有使用），這顆2nm芯片的體積將更小、速度也更快，未來有助于提升網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)處理速度，并提升自動駕駛汽車檢測物體的反應(yīng)時(shí)間。

IBM研究院高級副總裁兼院長Darío Gil表示，這款新型2nm芯片體現(xiàn)出的IBM創(chuàng)新對整個(gè)半導(dǎo)體和IT行業(yè)至關(guān)重要，且有助于大幅減少數(shù)據(jù)中心的碳排放量。

市場調(diào)研機(jī)構(gòu)IDC研究主管Peter Rudden在接受外媒采訪時(shí)表示，這一成果可以看作是一項(xiàng)突破。IBM的這顆2nm芯片可用于AI技術(shù)新應(yīng)用，電源效率的提升也將會對個(gè)人設(shè)備有用，而提高的性能將使IBM龐大的數(shù)據(jù)中心受益。

“這也向IT行業(yè)傳達(dá)了一個(gè)信息，即IBM將繼續(xù)成為硬件研究的強(qiáng)勢地位。”他補(bǔ)充稱。

不過，外界有疑問的是，為什么全球首個(gè)2nm芯片誕生于IBM公司？

自研2nm晶體管技術(shù)，惠及產(chǎn)業(yè)下游芯片制造代工廠

IBM曾是一家主要的芯片制造商，現(xiàn)已將起大量芯片生產(chǎn)外包給三星電子。但I(xiàn)BM在美國紐約紐約州奧爾巴尼（Albany）仍保留著一個(gè)芯片制造研究中心。該中心負(fù)責(zé)芯片研究，并與三星和英特爾簽署了聯(lián)合技術(shù)開發(fā)協(xié)議，以使用IBM的芯片制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。

2014年，IBM將旗下Microelectronics半導(dǎo)體部門出售給世界第三大專業(yè)晶圓代工廠GlobalFoundries（格芯）時(shí)，IBM就已經(jīng)宣告退出芯片代工業(yè)務(wù)。芯片生產(chǎn)部分最后仍會交給三星電子、格芯、英特爾、臺積電等產(chǎn)業(yè)鏈下游企業(yè)。

Seeking Alpha認(rèn)為，IBM推出全球首款2nm芯片，這可能使英特爾和三星代工廠受益。

據(jù)The Verge，臺積電和三星目前正在生產(chǎn)5nm芯片。英特爾仍在努力使其7納米節(jié)點(diǎn)脫穎而出。臺積電正計(jì)劃在年底前開始其4nm芯片工藝的早期生產(chǎn)，并于2022年實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。它的3nm節(jié)點(diǎn)預(yù)計(jì)要到2022年下半年，而2nm芯片仍處于相對較早的開發(fā)階段。這意味著，目前產(chǎn)業(yè)鏈下游芯片代工廠無法生產(chǎn)2nm芯片。

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(PPT)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。

根據(jù)nextplatform報(bào)道，目前擔(dān)任IBM混合云研究副總裁的Mukesh Khare帶領(lǐng)其完成了2nm技術(shù)的突破。

資料顯示，Khare在1999年到2003年間，從事90納米SOI工藝的開發(fā)，該工藝將IBM Power4和Power4+推向市場，他隨后又負(fù)責(zé)了65納米和45納米SOI的推進(jìn)，之后他對對用于Power7的32納米技術(shù)進(jìn)行了研究。Khare曾擔(dān)任奧爾巴尼納米技術(shù)中心的半導(dǎo)體研究總監(jiān)。

具體來說，IBM今天展示的這項(xiàng)技術(shù)，更多是芯片制造中最基礎(chǔ)部分——晶體管的改進(jìn)。

晶體管（transistor）是一種類似于閥門的固體半導(dǎo)體器件，可以用于放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其他功能。

首先，在這個(gè)芯片上，IBM用上了一個(gè)被稱為3D納米片堆疊的晶體管技術(shù)（nanosheet stacked transistor），它將NMOS晶體管堆疊在PMOS晶體管的頂部，而不是正常晶體管那樣并排放置，利用類似電子開關(guān)形成二進(jìn)制數(shù)字1和0的變化。后者盡管有更快、更省電的作用，但其最大的缺點(diǎn)是電子泄漏，而IBM的2nm芯片已經(jīng)克服了這個(gè)問題。

IBM表示，其采用2納米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(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：這里沒有測量的特征實(shí)際上是在2納米處），其間距為44納米，柵極長度為12納米。Khare認(rèn)為這是其他大多數(shù)晶圓代工廠在2納米工藝所使用的尺寸。

據(jù)新浪科技引述Darío Gil的話稱：“歸根結(jié)底還是晶體管，計(jì)算領(lǐng)域的其他一切都取決于晶體管是否變得更好。但不能保證晶體管會一代又一代地向前發(fā)展，因此，每當(dāng)有更先進(jìn)的晶體管出現(xiàn)時(shí)，這都是件大事?！?/p>

這顆2nm芯片還包括首次使用所謂的底部電介質(zhì)隔離（bottom dielectric isolation）技術(shù)、內(nèi)部空間干燥工藝（inner space dry process）技術(shù)、2nm EUV技術(shù)等，從而改善原有晶體管技術(shù)存在的一些問題。

nextplatform指出，這樣的改善帶來的最終結(jié)果是，制造2nm芯片所需的步驟要比7nm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。

據(jù)芯片行業(yè)網(wǎng)絡(luò)媒體AnandTech報(bào)道指，IBM的新型2nm芯片每平方毫米（MTr/mm2）具有約3.33億個(gè)晶體管。相比之下，臺積電最先進(jìn)的芯片采用其5nm工藝制造，每平方毫米（MTr/mm2）約有1.73億個(gè)晶體管，而三星的5nm芯片則約為127 MTr/mm2。

盡管這一切聽起來不錯，但要記住，IBM的這顆2nm芯片仍在概念階段的證明，而建立在2nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)上的處理器仍可能需要數(shù)年的時(shí)間。

對于更多有關(guān)這顆2nm芯片的技術(shù)細(xì)節(jié)，IBM目前暫未對外透露。