IBM的2nm芯片制程，是噱头还是来真的？
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2021-05-08 11:22
作者 | 代润泽
2nm芯片真的来了？
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... ...
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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。
而每平方毫米有大约3.33亿个晶体管的IBM新型2nm芯片，可不是好生产的。
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。
通过图片可以看到，IBM新型2nm芯片采用纳米片堆叠的晶体管，有时也被称为gate all around或GAA晶体管。
IBM的三层GAA纳米片，每片纳米片宽40nm，高5nm，间距44nm，栅极长度12nm。
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。
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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。
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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。
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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。
参考来源：
https://www.theverge.com/2021/5/6/22422815/ibm-2nm-chip-processors-semiconductors-power-performance-technology
https://www.dramx.com/News/IC/20180829-14379.html
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