揭秘全球首顆2nm芯片：到底是噱頭還是來真的？

2nm芯片真的來了？

IBM宣佈推出全球首個2nm芯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芯片，2nm芯片的體積更小、速度更快。

從IBM的表述意味着：

手機的電池壽命延長三倍，用户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... ...

IBM的2nm芯片製程可不好生產

台積電的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晶體管密度達到了台積電5nm的2倍。

而Intel的7nm晶體管密度超越了台積電5nm，也超過了三星的7nm，因此有業內人士表示IBM 2nm芯片在規格上強於台積電的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，其採用2nm工藝製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小於我們DNA單鏈的寬度。

通過圖片可以看到，IBM新型2nm芯片採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，有助於減少芯片上的功耗。

該芯片另一個新技術就是IBM提出的內部空間乾燥工藝，這有助於實現納米片的開發。

並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，不僅是在中間和後端。

而這樣的技術最終可以讓製造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。

最後，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技術是否會採用硅鍺通道，但是顯然有可能。

誰能幫IBM造2nm？

這麼強悍的芯片來襲，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。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，格芯宣佈無限期停止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宣佈將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芯片，英特爾則致力於7nm芯片技術。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年量產大概率可以量產。那麼2nm呢？

2020年9月，經濟日報曾報道，台積電宣佈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%、芯片面積縮小45%。

當時三星公佈的消息引起了轟動，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係，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週期。

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着一處芯片研發中心，該中心負責對芯片進行研發和測試，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此次發佈的2nm芯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。

三星真的會是2nm贏家嗎？

隨着工藝的發展，有能力製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，芯片製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%的範圍，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，芯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芯片變得越來越挑剔。

儘管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佔據營收費用的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芯片和2nm芯片即將商用之間沒有必然聯繫。

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。“

關於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，總要附上客户名單的原因。”

那麼這次的2nm研發成功，該多少年後量產呢？難説。但是2nm工藝是否真的成熟，研發成本真的扛得住，製造出來的芯片真的能賣出去，還需要時間的檢驗。

未來，當芯片突破了1nm，還會怎麼小？