揭秘全球首顆2nm晶片:到底是噱頭還是來真的?

2nm晶片真的來了?

IBM宣布推出全球首個2nm晶片製造技術引起了大家的注意。與7nm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5nm晶片,2nm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三倍,用戶只充電一次可以用四天;

為碳中和做出貢獻;

網際網路體驗更好;

賦能自動駕駛,縮短響應時間… …

IBM的2nm晶片製程可不好生產

台積電的5nm晶片每平方毫米約有1.73億個電晶體,三星的5nm晶片每平方毫米約有1.27億個電晶體。這樣對比來看,IBM 2nm電晶體密度達到了台積電5nm的2倍。

而Intel的7nm電晶體密度超越了台積電5nm,也超過了三星的7nm,因此有業內人士表示IBM 2nm晶片在規格上強於台積電的3nm。

揭秘全球首顆2nm晶片:到底是噱頭還是來真的?

而每平方毫米有大約3.33億個電晶體的IBM新型2nm晶片,可不是好生產的。

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

揭秘全球首顆2nm晶片:到底是噱頭還是來真的?

通過圖片可以看到,IBM新型2nm晶片採用納米片堆疊的電晶體,有時也被稱為gate all around或GAA電晶體。

揭秘全球首顆2nm晶片:到底是噱頭還是來真的?

IBM的三層GAA納米片,每片納米片寬40nm,高5nm,間距44nm,柵極長度12nm。

IBM表示,該晶片首次使用底部電介質隔離,實現12nm的柵極長度,可以減少電流泄漏,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。

並且該晶片廣泛地使用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2nm晶片所需的步驟比7nm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,2nm電晶體的閾值電壓(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2nm技術是否會採用矽鍺通道,但是顯然有可能。

誰能幫IBM造2nm?

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。例如32nm節點上AMD使用的SOI工藝也來自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7nm工藝的投資研發,轉而專注現有14/12nm FinFET工藝及22/12nm 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5nm晶片,英特爾則致力於7nm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4nm晶片工藝,大批量生產要等到2022年;3nm晶片技術投產進程預計更晚,要到2022年下半年;2nm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3nm製程工藝,業內表示將於今年進行試產,2022年量產大機率可以量產。那麼2nm呢?

2020年9月,經濟日報曾報導,台積電宣布2nm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3nm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 3nm 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%。

當時三星公布的消息引起了轟動,畢竟英特爾10nm還沒量產,三星的3nm就要來了。

而台積電要到2nm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系,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周期。

如今IBM將大多數晶片的生產外包給了三星,包括Power 10伺服器處理器,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2nm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7nm原型晶片,2017年,IBM又全球首發了5nm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7nm,就此業內分析稱,大機率IBM會找三星代工。

三星真的會是2nm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300mm晶圓廠耗資200億美元。

在7nm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電晶體規格微縮為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%的范圍,就需要更復雜的流程,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。

盡管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)給出的數據顯示,28nm工藝的成本為0.629億美元, 5nm將暴增至 4.76 億美元。三星也表示自己的3nm GAA 成本可能會超過5億美元。

其實,台積電在2nm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占據營收費用的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。

寫在最後

不過,IBM已開發出2nm晶片和2nm晶片即將商用之間沒有必然聯系。

回顧IBM之前的進程:

10nm-2014年研發成功,2017年量產

7nm-2015年研發成功,2018年量產

5nm-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2nm晶片所體現的IBM創新對整個半導體和IT行業至關重要。「

關於IBM的2nm晶片,部分業內人士表示「這就是在忽悠」,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2nm研發成功,該多少年後量產呢?難說。但是2nm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。

未來,當晶片突破了1nm,還會怎麼小?

揭秘全球首顆2nm晶片:到底是噱頭還是來真的?

來源:快科技