2奈米晶片真的來了？

IBM宣布推出全球首個2奈米晶片製造技術引起了大家的注意。與7奈米的技術相比，預計將帶來45%的性能提升或75%的能耗降低，而比起當前最尖端的5奈米晶片，2奈米晶片的體積更小、速度更快。

從IBM的表述意味著：手機的電池壽命延長3倍，用戶只充電1次可以用4天；為碳中和做出貢獻；網路體驗更好；賦能自動駕駛，縮短響應時間⋯⋯

IBM的2奈米晶片製程可不好生產

台積電的5奈米晶片每平方毫米約有1.73億個晶體管，三星的5奈米晶片每平方毫米約有1.27億個晶體管。這樣對比來看，IBM 2奈米晶體管密度達到了台積電5奈米的2倍。而Intel的7奈米晶體管密度超越了台積電5奈米，也超過了三星的7奈米，因此有業內人士表示，IBM的2奈米晶片在規格上強於台積電的3奈米。

而每平方毫米有大約3.33億個晶體管的IBM新型2奈米晶片，可不是好生產的。


IBM表示，其採用2奈米工藝製造的測試晶片可以在一塊指甲大小的晶片中容納500億個晶體管，而2奈米小於我們DNA單鏈的寬度。


透過圖片可以看到，IBM新型2奈米晶片採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40奈米，高5奈米，間距44奈米，柵極長度12奈米。IBM表示，該晶片首次使用底部電介質隔離，達到12奈米的柵極長度，可以減少電流洩漏，有助於減少晶片上的功耗。該晶片另一個新技術就是IBM提出的內部空間乾燥工藝，這有助於實現納米片的開發。該晶片廣泛地使用EUV技術，例如在晶片過程的前端進行EUV圖案化，不僅是在中間和後端。

而這樣的技術最終可以讓製造2奈米晶片所需的步驟比7奈米少得多，能促進整個晶圓廠的發展，也可能降低部分成品晶圓的成本。
最後，2奈米晶體管的閾值電壓（上表中的Vt）可以根據需要增大和減小，例如，用於手持設備的電壓較低，而用於百億超級計算機的CPU的電壓較高。IBM並未透露這種2奈米技術是否會採用矽鍺通道，但是顯然有可能。

誰能幫IBM造2奈米？

這麼強悍的晶片來襲，就涉及到生產了。IBM能自己解決嗎？

其實，早期IBM在半導體製造行業有深厚的技術積累。32奈米節點上AMD使用的SOI工藝就來自IBM合作研發。IBM曾經擁有過自己的晶圓廠，Power處理器就是自產自銷。後期因為業務調整，2014年將晶圓業務及技術、專利賣給了格芯。然而2018年8月，格芯宣布無限期停止7奈米工藝的投資研發，轉而專注現有14/12奈米FinFET工藝及22/12奈米FD-SOI工藝，隨之，AMD宣布將CPU及GPU全面轉向台積電，當時業內紛紛表示IBM很受傷。如今的IBM沒有了自己的代工廠。

目前來看，台積電和三星正在生產5奈米晶片，英特爾則致力於7奈米晶片技術。而按投產進度來看，台積電目前計劃在今年年底開工投產的4奈米晶片工藝，大批量生產要等到2022年；3奈米晶片技術投產進程預計更晚，要到2022年下半年；2奈米晶片技術更是仍處於相對早期的開發階段。這樣的時間推算也是在半導體公司不遇到拖延的情況下的假設。

關於3奈米製程工藝，業內表示將於今年進行試產，2022年量產大概率可以量產。那麼2奈米呢？2020年9月，經濟日報曾報導，台積電宣布2奈米製程獲得了重大突破，當時供應鏈預計2023年下半年可望進入風險性試產，2024年正式量產。

而在GAA技術的採用上，三星3奈米就導入GAA。關於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年推出基於3奈米GAA工藝的產品，並表示該產品的性能提高35%、功耗降低50%、晶片面積縮小45%。當時三星公佈的消息引起了轟動，畢竟英特爾10奈米還沒量產，三星的3奈米就要來了。

而台積電要到2奈米才會導入GAA技術。相比於三星，台積電切入GAA工藝較晚，雖然這與台積電本身FinFET的巨大成功有一定的關係，但可能更多的原因在於若採用新的工藝，從決定採用到最終實現量產，需要耗費較長的時間週期。

如今IBM將大多數晶片的生產外包給了三星，包括Power 10服務器處理器，IBM在美國紐約州的奧爾巴尼仍保留著一處晶片研發中心，該中心負責對晶片進行研發和測試，並與三星和英特爾簽署了聯合技術開發協議。有媒體表示，IBM此次發布的2奈米晶片製程正是在這個研發中心設計和製造的。

2015年，IBM研發出了7奈米原型晶片，2017年，IBM又全球首發了5奈米原型晶片。據報導，這些都是IBM與三星、格芯等幾家公司共同合作研發的成果，而格芯在2018年放棄了7奈米，就此業內分析稱，很可能IBM會找三星代工。

三星真的會是2奈米贏家嗎？

隨著工藝的發展，有能力製造先進節點晶片的公司數量在不斷減少。其中一個關鍵的原因是新節點的成本卻越來越高，例如台積電最先進的12吋晶圓廠耗資200億美元。

在7奈米以下，靜態功耗再次成為嚴重的問題，功耗和性能優勢也開始減少。過去，晶片製造商可以預期晶體管規格微縮為70%，在相同功率下性能提高40%，面積減少50%。現在，性能的提升在15-20%範圍，就需要更複雜的流程、新材料和不一樣的製造設備。

為了降低成本，晶片製造商已經開始部署比過去更加異構的新架構，並且他們對於在最新的工藝節點上製造的晶片變得越來越挑剔。儘管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International Business Strategies （IBS）的數據顯示，28奈米工藝的成本為0.629億美元， 5奈米將暴增至4.76億美元。三星也表示自己的3奈米GAA成本可能會超過5億美元。

其實，台積電在2奈米切入GAA同樣可能存在資金的考慮。台積電近些年的研發費用佔據營收費用的8%~9%，其營收逐年增加，研發費用也隨之增多。對於三星而言，如果真的為IBM代工，那麼或許可以為三星在技術上追趕台積電打些基礎。

不過，IBM已開發出2奈米晶片和2奈米晶片即將商用之間沒有必然聯繫。回顧IBM之前的進程：

10奈米-2014年研發成功，2017年量產
7奈米-2015年研發成功，2018年量產
5奈米-2017年研發成功，2020年量產

IBM研究部高級副總裁兼總監DaríoGil表示：「這種新型2奈米晶片所體現的IBM創新對整個半導體和IT產業至關重要。」

關於IBM的2奈米晶片，部分業內人士表示「這就是在唬人」，也有業內人士表示這不是噱頭，IBM真的有技術上的創新。「在晶片製造方面，特別是大規模應用的時候，良率是重要指標。真厲害的是高良率量產，這也是一般公司在宣傳先進技術的時候，總要附上客戶名單的原因。」

那麼這次的2奈米研發成功，該多少年後量產呢？難說。但是2奈米工藝是否真的成熟，研發成本真的扛得住，製造出來的晶片真的能賣出去，還需要時間的檢驗。

＊本文獲「雷鋒網」授權轉載，原文：IBM的2nm芯片製程，是噱頭還是來真的？

責任編輯：李頤欣