2nm 芯片技术，2nm 真的来了？

雷锋网消息，IBM最近宣布推出全球首个 2nm 芯片制造技术，相比于 7nm 的技术，预计带来 75% 的能耗降低或45% 的性能提升。

该芯片每平方毫米大约有 1.73 亿个晶体管，而三星的 5nm 芯片每平方毫米大约有 1.27 亿个晶体管。IBM的晶体管密度达到了台积电 5nm 的 2 倍。

这是极大的进步。

但是每平方毫米有 3.33 亿个晶体管的 2nm 芯片，可不是好生产的。

IBM表示，他们采用的 2nm 工艺制造的测试芯片甚至能够在一块指甲大小的芯片中塞进 500 亿个晶体管， 要知道，2nm甚至比我们 DNA 单链的宽度还小。

在图片中可以看到，IBM 的新型 2nm 芯片采用的是纳米片堆叠的晶体管，也被称为 gate all around （ GAA 晶体管）。

IBM 使用的三层GAA 纳米片，每片纳米片大约宽 40nm，高 5nm，间距 44nm，栅极长度为 12nm。

IBM芯片首次使用底部电介质隔离技术，来实现 12nm 的栅极长度，可以减少电流泄漏，并且极大于减少芯片上的功耗。

该芯片另一个新技术就是内部空间干燥工艺，而这是有助于实现纳米片的开发。

该芯片使用了EUV 技术，在芯片过程的前端进行 EUV 图案化，不仅是在中间和后端。

这样的技术最终可以让制造2nm 芯片所需的步骤比 7nm 少很多，可以促进整个晶圆厂的发展，也可以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。

如何制造芯片，是个难题。

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。

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 FoundryForum）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%。

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。

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。

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。

“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。”