世界首个2nm制程芯片公布！这次IBM跑在了台积电三星英特尔前面

萧箫 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号QbitAI

　　首个2nm制程芯片，竟然是IBM先发布的。

　　没错，不是已经研究出3nm技术的台积电，也不是已经量产5nm芯片的三星，而是IBM。

　　据IBM官方表示，这种技术能在指甲盖大小（150mm²）的芯片上安装500亿个晶体管。

　　相比于7nm芯片，这种技术预计将提升45%的性能、并降低75%的能耗。

　　不过，这并不意味着IBM就具备量产2nm芯片的能力，因为这项技术是在它位于纽约州奥尔巴尼（Albany）的芯片制造研究中心做出来的，但量产还涉及许多其他技术。

　　由于IBM自己没有10nm制程以下的晶圆厂，因此要想这个2nm工艺实现量产，可能还需要找其他晶圆厂代工。

　　这么看来，距离我们真正用上2nm芯片，可能还需要几年的时间。

　　那么，2nm芯片到底怎么做出来的？

　　IBM的2nm，什么技术？

　　此前，业界普遍采用FinFET（鳍式场效应晶体管）结构，但在5nm节点后，这种结构难以满足晶体管所需的静电控制，出现严重的漏电现象。

　　三星率先采用了名为GAA（gate-all-around，环绕式栅极）的晶体管技术，对3nm制程芯片进行研发，IBM的2nm制程所采用的技术，也同样是GAA。

　　其中，GAA分为纳米线结构（下图左三）和纳米片结构（下图右一，MBCFET是三星商标）两种，这次IBM采用的就是纳米片结构。

　　相比于纳米线结构，纳米片结构的长宽比较高，接触面积更大，但也更难控制片与片之间的刻蚀与薄膜生长。

　　从图中可见，IBM的2nm芯片中，纳米片共有三层，每片纳米片宽40nm，高5nm，间距44nm，栅极长度12nm。

　　嗯？？？

　　没错。这里IBM的2nm早已经不指栅极长度（MOS管的最小沟道长度），而是等效成了芯片上的晶体管节点密度。

　　密度越大，芯片的性能就越高。至于2nm，只是一个命名方式而已。

　　这个芯片的密度达到了333MTr/mm²，即每平方毫米容纳3.3亿个晶体管。

　　作为对比，台积电的5nm芯片密度为171.3MTr/mm²，三星的5nm芯片密度则为127MTr/mm²。

　　除此之外，IBM的2nm芯片，这次还采用了不少其他技术：

• 底部电介质隔离（bottom dielectric isolation），用于减少漏电、降低功耗
• 内层空间干燥处理（inner space dry process），用于精准门控
• EUV光刻技术，用于图案化薄膜或大部分晶片部件

　　对于这次研究的突破，IBM混合云研究副总裁Mukesh Khare表示：

没什么障碍是我们不能突破的。随着技术成熟，还会有更多突破出现。相比于困难，我看到的反而是创新的动力和前进的机会。

　　不过，这并不意味着2nm芯片实现了量产。

　　实验室做出来≠量产

　　一个工艺从实验室出来，到大规模量产，过程中需要芯片代工厂不断提升晶圆良率。

晶圆良率，指完成所有工艺步骤后，测试合格的芯片的数量与整片晶圆上的有效芯片的比值。

　　因此，晶圆良率决定了芯片的工艺成本。

　　要是一个工艺的晶圆良率上不去，量产可能反而会导致芯片亏损。

　　而目前，IBM的2nm芯片还停留在实验室阶段，只是制造出来而已。

　　除此之外，也还需要考虑光刻机等工具的进展。

　　比较有意思的是，IBM现在是没有大规模量产芯片的能力的，更可能将这项工艺交给三星等芯片制造商代工（目前已与英特尔和三星签署联合开发协议）。

　　IBM虽然曾经也是芯片制造商之一，却在2014年将自己的晶圆厂出售给了格罗方德（据说IBM还向格罗方德交了15亿美元，才把晶圆厂塞给它）。

　　那么，目前几家芯片厂商的进展具体如何呢？

　　从量产情况来看，台积电和三星均已实现了5nm量产。

　　而从制造工艺来看，IBM直接实现了2nm的飞跃，台积电目前研发出3nm制程，预计今明两年实现量产。

　　三星目前也在研发3nm制程的芯片。至于英特尔，则还在7nm芯片上挣扎，量产预计要等到2023年。

　　不过，从图中也能看出，各厂商对于芯片的命名标准并不一致。

　　对于IBM的这次突破，市场分析公司IDC的研究主管Peter Rudden表示：

这可以被看成是一个突破，毕竟对于某些厂商来说，7nm就已经是个巨大的挑战了。

同时，这也向IT行业传递了一个信号，即IBM仍然是一家硬件厂商巨头。

　　不过，也有网友表示，这并不意味着IBM的进程就超过了台积电：“关键在于大规模量产，然而，IBM现在还没有自己的晶圆厂。”

　　让我们期待一波2nm制程芯片量产的消息。

　　[1]https://newsroom.ibm.com/2021-05-06-IBM-Unveils-Worlds-First-2-Nanometer-Chip-Technology,-Opening-a-New-Frontier-for-Semiconductors#assets_all

　　[2]https://www.anandtech.com/show/16656/ibm-creates-first-2nm-chip

　　[3]https://www.nextplatform.com/2021/05/06/ibm-chips-in-to-drive-2-nanometer-semiconductor-manufacturing/

　　[4]https://www.bbc.com/news/technology-57009930