IBM全球首发2nm制程芯片

IBM全球首发2nm！3.33亿晶体管/mm²，性能比7nm芯片高45%

5月7日报道，昨日，美国科技企业IBM发布全球首个2nm制程芯片制造技术。

目前该技术仍在概念验证阶段，可能还需几年才能投入市场。路透社报道称，IBM已与三星、英特尔签署了联合开发协议。

▲IBM 2nm制程芯片展示（图源：IBM）

从理论上来说，2nm制程芯片相比现有可量产的7nm、5nm制程芯片，在晶体管密度、性能、功耗等方面能实现大幅提升。

IBM预计，2nm制程技术或能实现在“指甲盖”大小的芯片上集成约500亿晶体管；据国外科技媒体AnandTech报道，IBM 2nm制程或能在每平方毫米芯片上集成3.33亿个晶体管。相比之下，台积电5nm制程每平方毫米约有1.71亿个晶体管，三星5nm制程每平方毫米约有1.27亿个晶体管。

性能和功耗方面，相比7nm芯片，2nm芯片的性能可提升45%、功耗有望降低75%。IBM并未说明对比的7nm芯片是由台积电还是三星生产。

▲IBM、台积电、英特尔、三星各制程节点晶体管密度对比（图源：AnandTech）

01.用纳米级绝缘材料防“漏电”，采用GAA工艺

构成芯片的基本单元晶体管，可被视作是控制电流的开关。随着芯片制造制程渐趋先进，单个晶体管开关的“尺寸”越来越小，其对电流的控制能力受到影响，即使在关闭状态下也可能发生“漏电”。这也是实现先进制程的一大难题。

IBM高级副总裁兼IBM研究院（IBM Research）主管Darío Gil在接受路透社采访时称，IBM科学家通过使用几纳米厚的绝缘材料来阻止电流泄露，以解决上述问题。

据国外科技媒体AnandTech报道，IBM并未说明其2nm芯片采用的具体工艺，但根据图片推测应为三栈全栅极工艺（three-stack GAA）。目前，台积电和三星在5nm和3nm节点均采用鳍式场效应晶体管（FinFET）结构，在3nm制程之后或将转向GAA工艺。IBM的三栈GAA工艺使用75nm的单元高度，40nm的单元宽度，单个纳米片（nanosheet）的高度为5nm，纳米片间距为5nm，栅间距（CPP）为44nm，栅极长度（gate length）是12nm。据IBM方面分享，2nm制程芯片首次采用了底部电阻隔离通道技术（bottom dieletric isolation channel），使12纳米的栅极长度成为可能；其内部隔离器则采用第二代干法工艺设计，有助于纳米片的开发。此外，2nm制程芯片的基板工序（FEOL）采用了极紫外线光刻（EUV）技术进行加工。

根据IBM发布的新闻稿，2nm制程芯片制造技术，能够助力手机、数据中心、PC、自动驾驶等领域应用实现性能飞跃。

具体来说，在手机领域，2nm制程芯片或能使手机电池续航时间“翻两番”，即用户每4天为手机充电一次。

数据中心目前占据了全球1%的能源消耗，通过将处理器替换为2nm制程产品可大大降低这一数字。

对于PC产品来说，2nm制程芯片有助于加快应用程序处理速度、更容易地翻译语言、更快速地接入互联网。

在自动驾驶领域，2nm芯片能够助力目标检测算法更快运行，进而帮助提升自动驾驶汽车的反应时间。

02.已与三星英特尔签约，采取合作研发模式

在IBM全球首发2nm芯片制造技术背后，该公司在半导体领域已有几十年的研发历史，此前还曾全球首发7nm、5nm芯片制造技术。

Darío Gil称：“这（发布全球首个2nm芯片制造技术）是一个示范，表明了持续投资和合作研发的生态系统能够带来突破性的进展。”

IBM研究院旗下共有12个实验室，分布在美国纽约、加州、德州等多个地区。

据悉，IBM的半导体研发工作主要由位于纽约州首府奥尔巴尼的实验室承担。在该实验室中，IBM科学家与公共或私营部门的合作伙伴共同进行技术攻关。本次发布的2nm芯片制造技术的研发工作也由这个实验室承担。

2014年，IBM将芯片制造业务出售给了美国芯片制造商格罗方德，目前不具备芯片规模量产能力。据路透社报道，IBM已与芯片制造商三星和英特尔签署了使用IBM芯片制造技术的联合开发协议。

▲IBM位于纽约州首府奥尔巴尼的的研发中心（图源：IBM）

03.尚处于概念验证阶段，商用价值仍待挖掘

从理论上来说，IBM发布的2nm芯片制造技术能够较5nm技术实现大幅性能提升。但是，该2nm芯片制造技术还处于概念验证阶段，离具备商用价值任重道远。

目前，全球突破10nm及以下先进制程生产工艺的玩家仅有台积电和三星。两家公司的10nm、7nm、5nm制程均已实现商用，目前正进行3nm攻关。

根据此前台积电公布相关信息，相比5nm制程，3nm相同功耗下性能可提升10～15%，预计能在2021年第四季度实现量产。

▲全球先进制程技术密度对比
04.结语：绝缘材料来“救场”，摩尔定律仍有希望

随着芯片制程逼近物理极限，有关“摩尔定律将死”的预言时不时就会出现。但是，每当人类科学站在下一代制程节点“面前”，总有新的技术涌现出来，维持着摩尔定律继续向前发展。目前，IBM全球首发的2nm芯片制造技术距离商用量产还需要更多时间与技术累积。尽管如此，这亦说明了或许这场人类对先进芯片制程的追逐战，远未到达终局。