全球首個2nm芯片問世！臺積電霸主地位不保？

發(fā)布時間：2022-03-07作者來源：薩科微瀏覽：2162

半導(dǎo)體歷史上出現(xiàn)新里程碑：IBM于紐約時間5月6日在其官網(wǎng)宣布制造出世界上[敏感詞]顆2nm芯片，揭開了半導(dǎo)體設(shè)計和工藝方面的突破。IBM預(yù)計與當(dāng)今[敏感詞]一代的AMD[敏感詞]一代CPU和GPU所采用的[敏感詞]的7nm芯片相比，2nm芯片將實現(xiàn)提高45％的性能或降低75％的功耗。

IBM Research

圖源：IBM官網(wǎng)

據(jù)了解，該芯片的制造者為IBM奧爾巴尼研究室（IBM Research Albany）。IBM曾是一家主要的芯片制造商，現(xiàn)已將其大量芯片生產(chǎn)外包給三星電子，但其在紐約州奧爾巴尼仍保留著一個芯片制造研究中心，IBM科學(xué)家在該實驗室與公共和私營部門合作伙伴密切合作，負(fù)責(zé)對芯片進行試運行。

據(jù)路透社此前報道，該實驗室與三星和英特爾簽署了聯(lián)合技術(shù)開發(fā)協(xié)議，商定合作使用IBM的芯片制造技術(shù)。本次宣告制造完成的2nm芯片就是該實驗室的[敏感詞]研究成果。

IBM 2nm芯片有何價值？

業(yè)界對IBM制造出2nm芯片表現(xiàn)出極大興趣，很大程度在于2nm芯片意味著芯片性能的極大提升。

IBM Research 2 nm芯片

圖源：IBM官網(wǎng)

據(jù) IBM 的說法，這些先進的2 nm芯片的潛在優(yōu)勢可能包括：

1）大幅提高芯片性能；其 2nm 架構(gòu)實現(xiàn)現(xiàn)有的 7nm 相同的性能下，僅使用現(xiàn)在25% 的電力，手機電池壽命增加三倍，僅要求用戶每四天為設(shè)備充電一次。

2）降低碳排放：數(shù)據(jù)中心占全球能源使用量的百分之一，將其所有服務(wù)器更改為基于2 nm的處理器可能會大大削減數(shù)據(jù)中心的碳足跡。

3）提升筆記本訪問速度：從更快地處理應(yīng)用程序到更輕松地協(xié)助語言翻譯以及更快地訪問互聯(lián)網(wǎng)，極大地加快了筆記本電腦的功能。

4）促進新應(yīng)用落地：有助于自動駕駛汽車（例如自動駕駛汽車）中更快的物體檢測和反應(yīng)時間。

總的來說，2nm芯片價值在于提升現(xiàn)有的電子設(shè)備性能并能加速下一代芯片應(yīng)用落地。

值得注意的是，IBM展示的這項創(chuàng)新技術(shù)，背后是芯片架構(gòu)的創(chuàng)新。晶體管是芯片最基本的組成部分，它的作用就像一個電子開關(guān)，把“開關(guān)”做得越小，盡量克服因開關(guān)變小給電流的控制能力帶來影響，就能讓數(shù)據(jù)傳輸更快、更低功耗。

據(jù)AnandTech的專欄作家Ian Cutress指出，IBM并未說明其2nm芯片采用的具體工藝，但根據(jù)其官網(wǎng)公布的相關(guān)制造工藝圖片和視頻可推測應(yīng)為三棧全柵極工藝（three-stack GAA），其架構(gòu)是業(yè)界首創(chuàng)。

2 nm納米片設(shè)備

圖源：IBM官網(wǎng)

IBM的三棧GAA工藝使用的單元高度為75 nm，單元寬度為40 nm，單個納米片的高度為5 nm，納米片間距為5 nm。柵極多晶硅間距為44nm，柵極長度為12nm。IBM表示，其設(shè)計是[敏感詞]個使用底部介電隔離通道的設(shè)計，該通道可實現(xiàn)12 nm的柵極長度，并且其內(nèi)部間隔物是第二代干法工藝設(shè)計，有助于實現(xiàn)納米片的開發(fā)。

IBM稱，三棧全柵極工藝的突破性創(chuàng)新使2 nm芯片能夠在指甲蓋大小的芯片上容納多達(dá)500億個晶體管。據(jù)媒體進一步求證，IBM稱指甲蓋面積為150平方毫米即每平方毫米可容納3.33億個晶體管（MTr / mm 2）。

IBM這一創(chuàng)新或意味著先進制程芯片的架構(gòu)從FinFET轉(zhuǎn)向GAA工藝的趨勢。目前，晶圓代工龍頭臺積電在5nm和3nm節(jié)點均采用鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）結(jié)構(gòu)，三星正研制3nm的GAA工藝，此前也有媒體報道稱，臺積電2nm工藝將采用以GAA工藝為基礎(chǔ)的MBCFET架構(gòu)。

IBM研究室主任達(dá)里奧·吉爾（Darío Gil）稱：“計算領(lǐng)域的進步歸根結(jié)底是晶體管性能變得更好。但技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段已經(jīng)不能保證晶體管會一代又一代地向前發(fā)展，因此，每當(dāng)有更先進的晶體管技術(shù)出現(xiàn)時，這都是件大事。”

是否動搖臺積電晶圓代工霸主地位？

有臺媒體提出擔(dān)憂：IBM率先宣告2nm芯片研制成功，這會否影響臺積電的晶圓代工霸主地位呢？

據(jù)臺灣專家楊瑞臨表示，IBM的2nm芯片的成功試產(chǎn)驗證了GAA新結(jié)構(gòu)的可行性，將可加速GAA量產(chǎn)，是半導(dǎo)體業(yè)的大事。這可能增加臺積電的競爭壓力，不過晶圓代工霸主的地位應(yīng)該不會動搖。

據(jù)悉，3D封裝時代，芯片尺寸并非評判性能強弱的[敏感詞]標(biāo)準(zhǔn)。目前因為芯片由2D平面轉(zhuǎn)向3D發(fā)展，過去比較零組件最小尺寸的意義已失去，所謂幾nm更多只是一種“換代”的概念，以臺積電的7nm芯片和英特爾的7nm芯片相比，英特爾單芯片上的晶體管就遠(yuǎn)超臺積電。若比較芯片性能，比較有意義的比較基準(zhǔn)或許是單位面積的晶體管密度。

IBM、臺積電、英特爾、三星各制程節(jié)點晶體管密度對比

圖源：AnandTech

IBM的2nm制程官宣是在150平方毫米的面積中容納500億個晶體管，平均每平方毫米密度是3.3億個，臺積電目前宣布的3nm制程平均每平方毫米是2.9億個，稍落后于IBM。但I(xiàn)an Cutress指出，這些密度值通常列為峰值密度，在實際應(yīng)用中，發(fā)揮作用的晶體管密度會受到功耗和散熱影響，處理器發(fā)揮[敏感詞]性能時晶體管工作的數(shù)量通常只有峰值密度的一半。言下之意是，臺積電的3nm工藝和IBM的2nm工藝性能差別或許并沒有想象中那么大。

另一方面，在芯片制造領(lǐng)域，率先宣告技術(shù)試產(chǎn)成功固然有其技術(shù)領(lǐng)先之處，但成功量產(chǎn)達(dá)到商用才是技術(shù)成熟的標(biāo)志。

IBM并非首次宣布已經(jīng)掌握[敏感詞]制程工藝：2015年IBM宣布試制7nm制程芯片成功，但一直到2020年8月才有[敏感詞]個商用化產(chǎn)品Power10芯片出現(xiàn)。同期臺積電已經(jīng)成功量產(chǎn)5nm芯片，是當(dāng)之無愧的[敏感詞]晶圓代工技術(shù)掌握者。

且IBM早在2014年退出代工業(yè)務(wù)，將其IBM Microelectronics部門出售給格芯，按照IBM奧爾巴尼研究室簽訂的合作協(xié)議，其2nm芯片代工業(yè)務(wù)或?qū)⑽薪o三星、格芯、英特爾等合作企業(yè)。

從當(dāng)前來看，格芯在先進制程工藝上還稍為落后，Intel的7nm制程芯片預(yù)計2023年投產(chǎn)，三星目前的技術(shù)規(guī)劃僅到3nm，2nm暫時未見披露。此前IBM半導(dǎo)體研發(fā)核心人員Mukesh Khare也預(yù)計，更新一代的Power11應(yīng)該在2023年左右出現(xiàn)，采用成熟的5nm工藝。采用IBM 2nm技術(shù)量產(chǎn)芯片計劃似乎還沒有真正提上日程。