IBM發佈全球首個2nm芯片製造技術，“藍色巨人”是如何做到的？

（圖片來源：IBM官網）

藍色巨人終於開始發力。

5月7日消息，IBM公司週四宣佈，其在芯片製程工藝上取得重大突破，聲稱已打造出全球首個2nm芯片製造技術，為半導體研發再創新的里程碑。

IBM在新聞稿中稱，在運行速度方面，與當前許多筆記本電腦和手機中使用的主流7nm芯片相比，IBM的這顆2nm芯片計算速度要快45%，能源效率也高出75%，電池壽命最高可提升4倍，這代表用户每4天僅需為設備充電1次。

另外，相較於當前最先進的5nm芯片（目前僅有蘋果iPhone 12等旗艦智能手機才有使用），這顆2nm芯片的體積將更小、速度也更快，未來有助於提升網絡連接和數據處理速度，並提升自動駕駛汽車檢測物體的反應時間。

IBM研究院高級副總裁兼院長Darío Gil表示，這款新型2nm芯片體現出的IBM創新對整個半導體和IT行業至關重要，且有助於大幅減少數據中心的碳排放量。

市場調研機構IDC研究主管Peter Rudden在接受外媒採訪時表示，這一成果可以看作是一項突破。IBM的這顆2nm芯片可用於AI技術新應用，電源效率的提升也將會對個人設備有用，而提高的性能將使IBM龐大的數據中心受益。

“這也向IT行業傳達了一個信息，即IBM將繼續成為硬件研究的強勢地位。”他補充稱。

不過，外界有疑問的是，為什麼全球首個2nm芯片誕生於IBM公司？

IBM曾是一家主要的芯片製造商，現已將起大量芯片生產外包給三星電子。但IBM在美國紐約紐約州奧爾巴尼（Albany）仍保留着一個芯片製造研究中心。該中心負責芯片研究，並與三星和英特爾簽署了聯合技術開發協議，以使用IBM的芯片製造技術進行生產。

2014年，IBM將旗下Microelectronics半導體部門出售給世界第三大專業晶圓代工廠GlobalFoundries（格芯）時，IBM就已經宣告退出芯片代工業務。芯片生產部分最後仍會交給三星電子、格芯、英特爾、台積電等產業鏈下游企業。

Seeking Alpha認為，IBM推出全球首款2nm芯片，這可能使英特爾和三星代工廠受益。

據The Verge，台積電和三星目前正在生產5nm芯片。英特爾仍在努力使其7納米節點脱穎而出。台積電正計劃在年底前開始其4nm芯片工藝的早期生產，並於2022年實現批量生產。它的3nm節點預計要到2022年下半年，而2nm芯片仍處於相對較早的開發階段。這意味着，目前產業鏈下游芯片代工廠無法生產2nm芯片。

所以，IBM只負責芯片IC技術研究、設計部分，這顆全球首個2nm芯片目前依然是在概念(PPT)階段，用於研發用途，距離最後量產依然有很長的路要走。

根據nextplatform報道，目前擔任IBM混合雲研究副總裁的Mukesh Khare帶領其完成了2nm技術的突破。

資料顯示，Khare在1999年到2003年間，從事90納米SOI工藝的開發，該工藝將IBM Power4和Power4+推向市場，他隨後又負責了65納米和45納米SOI的推進，之後他對對用於Power7的32納米技術進行了研究。Khare曾擔任奧爾巴尼納米技術中心的半導體研究總監。

具體來説，IBM今天展示的這項技術，更多是芯片製造中最基礎部分——晶體管的改進。

晶體管（transistor）是一種類似於閥門的固體半導體器件，可以用於放大、開關、穩壓、信號調製和許多其他功能。

首先，在這個芯片上，IBM用上了一個被稱為3D納米片堆疊的晶體管技術（nanosheet stacked transistor），它將NMOS晶體管堆疊在PMOS晶體管的頂部，而不是正常晶體管那樣並排放置，利用類似電子開關形成二進制數字1和0的變化。後者儘管有更快、更省電的作用，但其最大的缺點是電子泄漏，而IBM的2nm芯片已經克服了這個問題。

IBM表示，其採用2納米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。

在IBM的這個實現方案下，納米片有三層，每片的寬度為40納米，高度為5納米。（注：這裏沒有測量的特徵實際上是在2納米處），其間距為44納米，柵極長度為12納米。Khare認為這是其他大多數晶圓代工廠在2納米工藝所使用的尺寸。

據新浪科技引述Darío Gil的話稱：“歸根結底還是晶體管，計算領域的其他一切都取決於晶體管是否變得更好。但不能保證晶體管會一代又一代地向前發展，因此，每當有更先進的晶體管出現時，這都是件大事。”

這顆2nm芯片還包括首次使用所謂的底部電介質隔離（bottom dielectric isolation）技術、內部空間乾燥工藝（inner space dry process）技術、2nm EUV技術等，從而改善原有晶體管技術存在的一些問題。

nextplatform指出，這樣的改善帶來的最終結果是，製造2nm芯片所需的步驟要比7nm芯片少得多，這將促進整個晶圓廠的發展，並可能也降低某些成品晶圓的成本。

據芯片行業網絡媒體AnandTech報道指，IBM的新型2nm芯片每平方毫米（MTr/mm2）具有約3.33億個晶體管。相比之下，台積電最先進的芯片採用其5nm工藝製造，每平方毫米（MTr/mm2）約有1.73億個晶體管，而三星的5nm芯片則約為127 MTr/mm2。

儘管這一切聽起來不錯，但要記住，IBM的這顆2nm芯片仍在概念階段的證明，而建立在2nm技術節點上的處理器仍可能需要數年的時間。

對於更多有關這顆2nm芯片的技術細節，IBM目前暫未對外透露。

有業內人士指出，IBM的這顆2nm芯片的最後去向，很可能是該公司的雲服務器當中，從而提升該數據中心的計算能力。

IBM表示，憑藉IBM研究院在7 nm技術方面取得的進展，該公司研發的第一款商業化芯片產品將於今年晚些時候在基於Powe10的IBM Power Systems中首次亮相。

事實上，IBM早就將芯片製造部分交出去了，其更多擁有的是無晶圓業務部門，只負責上游芯片設計、研究之類的，所以突然發佈了新的芯片技術，外界疑問大過肯定。

anandtech指，IBM是全球領先的未來半導體技術研究中心之一，儘管沒有自己的芯片代工產品，但IBM與其他製造商合作為自己的製造設施開發IP，這是其一直保留芯片研發部門的原因之一。

需要指出的是，IBM在數據中心方面一直投入了大量資金與精力，並取得了一些效果。根據IDC統計顯示，2020年第三季度，IBM和浪潮合作的浪潮商用機器以9.4％的市場份額排名第三。

所以，2nm芯片的算力提升對於IBM來説至關重要，也是其在行業提升的重要助力。

今年4月，IBM發佈2021財年第一季度財報。報告顯示，IBM第一季度營收為177.30億美元，比去年同期的175.71億美元增長1%；淨利潤為9.55億美元，同比下降19%。但該公司雲及認知軟件部門，營收同比增長4%。

IBM表示，距離將上述技術投入量產還需花費數年時間，接下來，該公司計劃繼續研究與開發用於消費電子產品的2nm芯片技術。

（本文首發鈦媒體App，作者｜林志佳）