其實,已開發出的2nm芯片和即將商用之間沒有必然聯系。
2nm芯片真的來了?
IBM宣布推出全球首個2nm芯片制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芯片,2nm芯片的體積更小、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;
互聯網體驗更好;
賦能自動駕駛,縮短響應時間... ...
1
IBM的2nm芯片制程可不好生產
臺積電的5nm芯片每平方毫米約有1.73億個晶體管,三星的5nm芯片每平方毫米約有1.27億個晶體管。這樣對比來看,IBM 2nm晶體管密度達到了臺積電5nm的2倍。
而Intel的7nm晶體管密度超越了臺積電5nm,也超過了三星的7nm,因此有業內人士表示IBM 2nm芯片在規格上強于臺積電的3nm。
而每平方毫米有大約3.33億個晶體管的IBM新型2nm芯片,可不是好生產的。
IBM表示,其采用2nm工藝制造的測試芯片可以在一塊指甲大小的芯片中容納500億個晶體管,而2nm小于我們DNA單鏈的寬度。
通過圖片可以看到,IBM新型2nm芯片采用納米片堆疊的晶體管,有時也被稱為gate all around或GAA晶體管。
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,該芯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,有助于減少芯片上的功耗。
該芯片另一個新技術就是IBM提出的內部空間干燥工藝,這有助于實現納米片的開發。
并且該芯片廣泛地使用EUV技術,例如在芯片過程的前端進行EUV圖案化,不僅是在中間和后端。
而這樣的技術最終可以讓制造2nm芯片所需的步驟比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。
最后,2nm晶體管的閾值電壓(上表中的Vt)可以根據需要增大和減小,例如,用于手持設備的電壓較低,而用于百億超級計算機的CPU的電壓較高。
IBM并未透露這種2nm技術是否會采用硅鍺通道,但是顯然有可能。
2
誰能幫IBM造2nm?
這么強悍的芯片來襲,就涉及到生產了。IBM能自己解決嗎?
其實,早期IBM在半導體制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。后期因為業務調整,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全面轉向臺積電,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,臺積電和三星正在生產5nm芯片,英特爾則致力于7nm芯片技術。而按投產進度來看,臺積電目前計劃在今年年底開工投產的4nm芯片工藝,大批量生產要等到2022年;3nm芯片技術投產進程預計更晚,要到2022年下半年;2nm芯片技術更是仍處于相對早期的開發階段。
關于3nm制程工藝,業內表示將于今年進行試產,2022年量產大概率可以量產。那么2nm呢?
2020年9月,經濟日報曾報道,臺積電宣布2nm制程獲得了重大突破,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技術的采用上,三星3nm就導入GAA。關于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年推出基于 3nm GAA工藝的產品,并表示該產品的性能提高 35%、功耗降低 50%、芯片面積縮小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。
而臺積電要到2nm才會導入GAA技術。相比于三星,臺積電切入GAA工藝較晚,雖然這與臺積電本身FinFET的巨大成功有一定的關系,但可能更多的原因在于若采用新的工藝,從決定采用到最終實現量產,需要耗費較長的時間周期。
如今IBM將大多數芯片的生產外包給了三星,包括Power 10服務器處理器,IBM在美國紐約州的奧爾巴尼仍保留著一處芯片研發中心,該中心負責對芯片進行研發和測試,并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芯片制程正是在這個研發中心設計和制造的。
2015年,IBM研發出了7nm原型芯片,2017年,IBM又全球首發了5nm原型芯片。據報道,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,大概率IBM會找三星代工。
3
三星真的會是2nm贏家嗎?
隨著工藝的發展,有能力制造先進節點芯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,例如臺積電最先進的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,芯片制造商可以預期晶體管規格微縮為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,新材料和不一樣的制造設備。
為了降低成本,芯片制造商已經開始部署比過去更加異構的新架構,并且他們對于在最新的工藝節點上制造的芯片變得越來越挑剔。
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,臺積電在2nm切入GAA同樣可能存在資金的考慮。臺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。
對于三星而言,如果真的為IBM代工,那么或許可以為三星在技術上追趕臺積電打些基礎。
4
寫在最后
不過,IBM已開發出2nm芯片和2nm芯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芯片所體現的IBM創新對整個半導體和IT行業至關重要。”
關于IBM的2nm芯片,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。
“在芯片制造方面,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。”
那么這次的2nm研發成功,該多少年后量產呢?難說。但是2nm工藝是否真的成熟,研發成本真的扛得住,制造出來的芯片真的能賣出去,還需要時間的檢驗。
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原文標題:IBM的2nm芯片制程,是噱頭還是來真的?
文章出處:【微信號:WW_CGQJS,微信公眾號:傳感器技術】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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