再次突破半導體極限，IBM搶先首次推出2nm工藝芯片

與IBM合作的三星，或許將成為最大贏(yíng)家。

就在臺積電和三星角逐3nm的白熱化階段，藍色巨人IBM再一次走在了前列。

據報道，曾擔任IBM半導體技術(shù)和研究副總裁穆列什·哈雷（MukeshKhare）帶領(lǐng)的團隊完成了2nm工藝技術(shù)的突破，IBM也宣布造出全球第一顆2nm工藝的半導體芯片。

雖然IBM不直接參與晶圓代工廠(chǎng)之間的競爭，但它推出的技術(shù)和相關(guān)研究卻對先進(jìn)制程的升級有著(zhù)極大的幫助。

2nm芯片，IBM打造

據了解，這次2nm工藝采用三層GAA（環(huán)繞柵極晶體管）技術(shù)。

沒(méi)錯，這正是三星主攻3nm工藝采用的技術(shù)。

在今年2月的IEEE國際固態(tài)電路大會(huì )（ISSCC）上，三星搶在臺積電之前展示了第一款采用3nm工藝的256GB容量SRAM存儲芯片，讓行業(yè)第一次窺見(jiàn)GAA架構的廬山真面目。

此外，IBM使用兩項獨特的工藝：底部電介質(zhì)隔離（bottom dielectric isolation）以及內層空間干燥處理（inner space dry process），這正是IBM掌握的2nm芯片制造技術(shù)的核心。

與當下主流的FinFET工藝相比，GAA技術(shù)重新設計了晶體管底層結構，增強了柵極控制，因此性能大大提升，體積也更小，速度也更快。

與當前主流的7nm芯片相比，在同樣的電力消耗下，IBM 2nm芯片的性能預計提升45%，輸出相同情況下能耗降低75%。

往更深入看，IBM 2nm芯片的晶體管密度為每平方毫米3.33億個(gè)晶體管(MTr/mm)。

作為對比，當下最先進(jìn)的臺積電5nm FinFET工藝每平方毫米約有1.73億個(gè)晶體管，2nm芯片足足多了兩倍，而三星的5nm芯片每平方毫米僅為1.27億個(gè)晶體管。

換個(gè)角度來(lái)看，IBM 2nm芯片在指甲蓋大小面積（約150平方毫米）內，容納了500億個(gè)晶體管。

IBM聲稱(chēng)，2nm技術(shù)將帶來(lái)多項提升：

手機電池壽命將大幅提升;

減少數據中心的碳足跡;

大大加強筆記本電腦性能;

有助于加快自動(dòng)駕駛汽車(chē)等自主車(chē)輛的物體檢測和反應時(shí)間;

另外，這項技術(shù)將使太空探索、人工智能、5G、量子計算等領(lǐng)域受益。

值得一提的是，這里的2nm并不是物理上的2nm，而是等效節點(diǎn)“Equivalent Nodes”，是表示從5nm，3nm工藝演進(jìn)而來(lái)的下一代工藝的“代號”。

這次2nm工藝只是實(shí)驗室技術(shù)，離真正實(shí)現2nm芯片量產(chǎn)還有相當遠的距離，但這一消息依然稱(chēng)得上業(yè)界的重磅炸彈。

此外，IBM也是率先造出7nm（2015年）和5nm（2017年）芯片的廠(chǎng)商，在電壓等指標的定義上很早就拿下主導權。

盡管如今芯片市場(chǎng)的風(fēng)頭已經(jīng)被臺積電、三星、英特爾、AMD等“后起之秀”占據，但藍色巨人IBM依然默默做著(zhù)貢獻。

依然強悍的芯片巨頭

由于自身業(yè)務(wù)調整以及半導體制造業(yè)務(wù)大額虧損，IBM在2014年將旗下芯片制造業(yè)務(wù)轉讓給半導體代工廠(chǎng)商GlobalFoundries（格芯），但IBM在半導體先進(jìn)制程方面的研究卻一直沒(méi)有停止，依然在紐約奧爾巴尼市保留了一家芯片制造研發(fā)中心。

在出售芯片代工業(yè)務(wù)的同年，IBM耗資30億美元的項目著(zhù)手進(jìn)行了一項雄心勃勃的計劃——“ 7nm and Beyond ”。

該計劃一方面在于開(kāi)發(fā)可以經(jīng)濟地制造7nm及以下制程的工藝，另一方面尋找新材料以支持先進(jìn)制程的繼續發(fā)展。

事實(shí)證明，這個(gè)計劃中脫胎的很多成果都推動(dòng)了7nm、5nm發(fā)展，這種影響力已經(jīng)延續到3nm節點(diǎn)。

在IBM宣布“7nm and Beyond”計劃后一年，IBM與GlobalFoundries、三星等合作伙伴，共同推出了其首款7nm測試芯片。

時(shí)隔兩年，IBM與他的盟友們再次首發(fā)業(yè)界第一個(gè)全新的5nm硅納米片晶體管（Nanosheet）芯片，為后來(lái)實(shí)現5nm工藝鋪平了道路。

盡管兩次芯片都是實(shí)驗室測試芯片，距離真正量產(chǎn)還有相當大的距離，但IBM在攻克制程中使用極紫外線(xiàn)光刻技術(shù)（EUV）進(jìn)行線(xiàn)的前端圖形繪制的技術(shù)，極大推進(jìn)了后來(lái)EUV的商業(yè)化落地。在這之后，三星和臺積電紛紛宣布在7nm階段導入EUV技術(shù)。

同時(shí)，IBM堅信，Nanosheet（納米片）將成為FinFET芯片架構的替代品，在采用新納米片架構的方面上，三星一直是將IBM技術(shù)從實(shí)驗室帶到市場(chǎng)的忠實(shí)守護者。

基于當初IBM與三星之間在GAA上的合作研究，三星又重新設計了現有的GAA，使其成為多橋溝道FET（MBCFET），再后來(lái)這也成為三星與臺積電在3nm節點(diǎn)處進(jìn)行較量的一大利器。

很顯然，在臺積電3nm FINEET工藝受挫的背景下，GAA技術(shù)注定將成為半導體產(chǎn)業(yè)繼續向前發(fā)展的關(guān)鍵。只不過(guò)GAA的制造難度顯然是極高的。

但IBM已經(jīng)弄清楚了如何使用單次曝光 EUV 來(lái)減少用于蝕刻芯片的光學(xué)掩模的數量，這也將給晶圓巨頭們在制程突破上帶來(lái)了新思路。

2nm量產(chǎn)仍有一段時(shí)間

在全球半導體發(fā)展的過(guò)程當中，IBM一直在其中充當著(zhù)重要的角色。IBM在二十世紀六十到九十年代間接連推出了多種技術(shù)，深刻地影響了半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

時(shí)至今日，雖然IBM已經(jīng)放棄了半導體制造業(yè)務(wù)，但其所授予眾多晶圓代工廠(chǎng)的專(zhuān)利技術(shù)，卻極大地推動(dòng)了先進(jìn)制程的發(fā)展，這也使得IBM成為了先進(jìn)制程升級過(guò)程中重要一員。

伴隨著(zhù)先進(jìn)工藝玩家日趨減少，5nm節點(diǎn)處的競爭也愈演愈烈，IBM的“7nm and Beyond”計劃的研究成果，逐漸成為三星等合作伙伴在競爭中取得優(yōu)勢的一大幫手。

目前各家的爭奪點(diǎn)依然在3nm制程的芯片，不僅需要晶圓代工廠(chǎng)在工藝上的突破，想實(shí)現真正量產(chǎn)，還需要高通等上游設計公司、和ASML等中游設備廠(chǎng)商的努力。

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