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IBM 的 2nm 芯片制程,是噱头还是来真的?来源:雷锋网 ![]() IBM 宣布推出全球首个 2nm 芯片制造技术引起了大家的注意。与 7nm 的技术相比,预计将带来 45% 的性能提升或 75% 的能耗降低,而比起当前最尖端的 5nm 芯片,2nm 芯片的体积更小、速度更快。 从 IBM 的表述意味着: 手机的电池寿命延长三倍,用户只充电一次可以用四天; 为碳中和做出贡献; 互联网体验更好; 赋能自动驾驶,缩短响应时间 ... ... IBM 的 2nm 芯片制程可不好生产 台积电的 5nm 芯片每平方毫米约有 1.73 亿个晶体管,三星的 5nm 芯片每平方毫米约有 1.27 亿个晶体管。这样对比来看,IBM 2nm 晶体管密度达到了台积电 5nm 的 2 倍。 而 Intel 的 7nm 晶体管密度超越了台积电 5nm,也超过了三星的 7nm,因此有业内人士表示 IBM 2nm 芯片在规格上强于台积电的 3nm。 ![]() IBM 表示,其采用 2nm 工艺制造的测试芯片可以在一块指甲大小的芯片中容纳 500 亿个晶体管,而 2nm 小于我们 DNA 单链的宽度。 ![]() ![]() IBM 表示,该芯片首次使用底部电介质隔离,实现 12nm 的栅极长度,可以减少电流泄漏,有助于减少芯片上的功耗。 该芯片另一个新技术就是 IBM 提出的内部空间干燥工艺,这有助于实现纳米片的开发。 并且该芯片广泛地使用 EUV 技术,例如在芯片过程的前端进行 EUV 图案化,不仅是在中间和后端。 而这样的技术最终可以让制造 2nm 芯片所需的步骤比 7nm 少得多,能促进整个晶圆厂的发展,也可能降低部分成品晶圆的成本。 最后,2nm 晶体管的阈值电压(上表中的 Vt)可以根据需要增大和减小,例如,用于手持设备的电压较低,而用于百亿超级计算机的 CPU 的电压较高。 IBM 并未透露这种 2nm 技术是否会采用硅锗通道,但是显然有可能。 谁能帮 IBM 造 2nm? 这么强悍的芯片来袭,就涉及到生产了。IBM 能自己解决吗? 其实,早期 IBM 在半导体制造行业有深厚的技术积累。例如 32nm 节点上 AMD 使用的 SOI 工艺也来自 IBM 合作研发。 IBM 曾经拥有过自己的晶圆厂,Power 处理器就是自产自销。后期因为业务调整,2014 年将晶圆业务及技术、专利卖给了格芯。然而 2018 年 8 月,格芯宣布无限期停止 7nm 工艺的投资研发,转而专注现有 14/12nm FinFET 工艺及 22/12nm FD-SOI 工艺,随之 AMD 宣布将 CPU 及 GPU 全面转向台积电,当时业内纷纷表示 IBM 很受伤。 如今的 IBM 没有了自己的代工厂。 目前来看,台积电和三星正在生产 5nm 芯片,英特尔则致力于 7nm 芯片技术。而按投产进度来看,台积电目前计划在今年年底开工投产的 4nm 芯片工艺,大批量生产要等到 2022 年;3nm 芯片技术投产进程预计更晚,要到 2022 年下半年;2nm 芯片技术更是仍处于相对早期的开发阶段。 这样的时间推算也是在半导体公司不遇到拖延的情况下的假设。 关于 3nm 制程工艺,业内表示将于今年进行试产,2022 年量产大概率可以量产。那么 2nm 呢? 2020 年 9 月,经济日报曾报道,台积电宣布 2nm 制程获得了重大突破,当时供应链预计 2023 年下半年可望进入风险性试产,2024 年正式量产。 而在 GAA 技术的采用上,三星 3nm 就导入 GAA。关于 GAA 工艺,2019 年 5 月,在当时的 SFF(Samsung Foundry Forum)美国分会上,三星就表示将在 2021 年推出基于 3nm GAA 工艺的产品,并表示该产品的性能提高 35%、功耗降低 50%、芯片面积缩小 45%。 当时三星公布的消息引起了轰动,毕竟英特尔 10nm 还没量产,三星的 3nm 就要来了。 而台积电要到 2nm 才会导入 GAA 技术。相比于三星,台积电切入 GAA 工艺较晚,虽然这与台积电本身 FinFET 的巨大成功有一定的关系,但可能更多的原因在于若采用新的工艺,从决定采用到最终实现量产,需要耗费较长的时间周期。 如今 IBM 将大多数芯片的生产外包给了三星,包括 Power 10 服务器处理器,IBM 在美国纽约州的奥尔巴尼仍保留着一处芯片研发中心,该中心负责对芯片进行研发和测试,并与三星和英特尔签署了联合技术开发协议。有媒体表示,IBM 此次发布的 2nm 芯片制程正是在这个研发中心设计和制造的。 2015 年,IBM 研发出了 7nm 原型芯片,2017 年,IBM 又全球首发了 5nm 原型芯片。据报道,这些都是 IBM 与三星、格芯等几家公司共同合作研发的成果,而格芯在 2018 年放弃了 7nm,就此业内分析称,大概率 IBM 会找三星代工。 三星真的会是 2nm 赢家吗? 随着工艺的发展,有能力制造先进节点芯片的公司数量在不断减少。其中一个关键的原因是新节点的成本却越来越高,例如台积电最先进的 300mm 晶圆厂耗资 200 亿美元。 在 7nm 以下,静态功耗再次成为严重的问题,功耗和性能优势也开始减少。过去,芯片制造商可以预期晶体管规格微缩为 70%,在相同功率下性能提高 40%,面积减少 50%。现在,性能的提升在 15- 20% 的范围,就需要更复杂的流程,新材料和不一样的制造设备。 为了降低成本,芯片制造商已经开始部署比过去更加异构的新架构,并且他们对于在最新的工艺节点上制造的芯片变得越来越挑剔。 尽管 GAA 可以带来性能和功耗的降低,但是成本非常高。 市场研究机构 International Business Strategies (IBS)给出的数据显示,28nm 工艺的成本为 0.629 亿美元, 5nm 将暴增至 4.76 亿美元。三星也表示自己的 3nm GAA 成本可能会超过 5 亿美元。 其实,台积电在 2nm 切入 GAA 同样可能存在资金的考虑。台积电近些年的研发费用占据营收费用的 8%~9%,其营收逐年增加,研发费用也随之增多。 对于三星而言,如果真的为 IBM 代工,那么或许可以为三星在技术上追赶台积电打些基础。 写在最后 不过,IBM 已开发出 2nm 芯片和 2nm 芯片即将商用之间没有必然联系。 回顾 IBM 之前的进程: 10nm-2014 年研发成功,2017 年量产 7nm-2015 年研发成功,2018 年量产 5nm-2017 年研发成功,2020 年量产 IBM 研究部高级副总裁兼总监 DaríoGil 表示:" 这种新型 2nm 芯片所体现的 IBM 创新对整个半导体和 IT 行业至关重要。" 关于 IBM 的 2nm 芯片,部分业内人士表示 " 这就是在忽悠 ",也有业内人士表示这不是噱头,IBM 真的有技术上的创新。 " 在芯片制造方面,特别是大规模应用的时候,良率是重要指标。真厉害是高良率量产,这也是一般公司在宣传先进技术的时候,总要附上客户名单的原因。" 那么这次的 2nm 研发成功,该多少年后量产呢?难说。但是 2nm 工艺是否真的成熟,研发成本真的扛得住,制造出来的芯片真的能卖出去,还需要时间的检验。 未来,当芯片突破了 1nm,还会怎么小? |