全球*2nm芯片問世！臺(tái)積電霸主地位不保？

芯師爺|Core master|

2022-03-07 03:28:13 8

半導(dǎo)體歷史上出現(xiàn)新里程碑：IBM于紐約時(shí)間5月6日在其官網(wǎng)宣布制造出*上*顆2nm芯片，揭開了半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和工藝方面的突破。IBM預(yù)計(jì)與當(dāng)今最新一代的AMD最新一代CPU和GPU所采用的最先進(jìn)的7nm芯片相比，2nm芯片將實(shí)現(xiàn)提高45％的性能或降低75％的功耗。

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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(gè)芯片制造研究中心，IBM科學(xué)家在該實(shí)驗(yàn)室與公共和私營部門合作伙伴密切合作，負(fù)責(zé)對(duì)芯片進(jìn)行試運(yùn)行。

據(jù)路透社此前報(bào)道，該實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的最新研究成果。

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IBM 2nm芯片有何價(jià)值？

業(yè)界對(duì)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。

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IBM Research 2 nm芯片

圖源：IBM官網(wǎng)

據(jù) IBM 的說法，這些先進(jìn)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(shí)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(jī)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(huì)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(jìn)新應(yīng)用落地：有助于自動(dòng)駕駛汽車（例如自動(dòng)駕駛汽車）中更快的物體檢測和反應(yīng)時(shí)間。

總的來說，2nm芯片價(jià)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(xiàng)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(gè)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)。

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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(gè)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(jì)是*個(gè)使用底部介電隔離通道的設(shè)計(jì)，該通道可實(shí)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(jì)，有助于實(shí)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(gè)晶體管。據(jù)媒體進(jìn)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(gè)晶體管（MTr / mm 2）。

IBM這一創(chuàng)新或意味著先進(jìn)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(tái)積電在5nm和3nm節(jié)點(diǎn)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(bào)道稱，臺(tái)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(jì)算領(lǐng)域的進(jìn)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(huì)一代又一代地向前發(fā)展，因此，每當(dāng)有更先進(jìn)的晶體管技術(shù)出現(xiàn)時(shí)，這都是件大事。”

是否動(dòng)搖臺(tái)積電晶圓代工霸主地位？

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

據(jù)臺(tái)灣專家楊瑞臨表示，IBM的2nm芯片的成功試產(chǎn)驗(yàn)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(tái)積電的競爭壓力，不過晶圓代工霸主的地位應(yīng)該不會(huì)動(dòng)搖。

據(jù)悉，3D封裝時(shí)代，芯片尺寸并非評(píng)判性能強(qiáng)弱的*標(biāo)準(zhǔn)。目前因?yàn)樾酒?D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(tái)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(tái)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。

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IBM、臺(tái)積電、英特爾、三星各制程節(jié)點(diǎn)晶體管密度對(duì)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(gè)晶體管，平均每平方毫米密度是3.3億個(gè)，臺(tái)積電目前宣布的3nm制程平均每平方毫米是2.9億個(gè)，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(shí)際應(yīng)用中，發(fā)揮作用的晶體管密度會(huì)受到功耗和散熱影響，處理器發(fā)揮最高性能時(shí)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(tái)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)*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*宣布已經(jīng)掌握最先進(jìn)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*個(gè)商用化產(chǎn)品Power10芯片出現(xiàn)。同期臺(tái)積電已經(jīng)成功量產(chǎn)5nm芯片，是當(dāng)之無愧的最先進(jìn)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(jìn)制程工藝上還稍為落后，Intel的7nm制程芯片預(yù)計(jì)2023年投產(chǎn)，三星目前的技術(shù)規(guī)劃僅到3nm，2nm暫時(shí)未見披露。此前IBM半導(dǎo)體研發(fā)核心人員Mukesh Khare也預(yù)計(jì)，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(jì)劃似乎還沒有真正提上日程。

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圖源：科技新報(bào)

而臺(tái)積電方面，按照此前媒體公布的進(jìn)度，臺(tái)積電的4nm與3nm芯片預(yù)計(jì)2022年量產(chǎn)，2nm芯片也已經(jīng)取得了關(guān)鍵性的突破，試產(chǎn)進(jìn)度緊跟IBM，有望在2023年下半年進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性試驗(yàn)，2024年進(jìn)入量產(chǎn)階段。

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圖源：中國臺(tái)灣經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)

從技術(shù)演進(jìn)來看，臺(tái)積電2nm技術(shù)試產(chǎn)略落后于IBM，但量產(chǎn)計(jì)劃更為提前。

綜上，整體來看，在先進(jìn)制程技術(shù)上的研究，臺(tái)積電并沒有大幅落后于率先實(shí)現(xiàn)2nm芯片試產(chǎn)IBM，IBM本次技術(shù)更新固然顯示了其作為全球*的半導(dǎo)體技術(shù)研究中心之一的實(shí)力，但臺(tái)積電晶圓代工龍頭的實(shí)力也是不容小覷。

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