IBM 的 2 奈米晶片製程,是噱頭還是真的?

作者 | 發布日期 2021 年 05 月 11 日 8:00 | 分類 晶圓 , 晶片 Telegram share ! follow us in feedly


2 奈米晶片真的來了?IBM 宣布推出全球首個 2 奈米晶片製造技術引起注意。與 7 奈米技術相比,預計帶來 45% 性能提升或 75% 能耗降低,比起最先進的 5 奈米晶片,2 奈米晶片體積更小、速度更快。

IBM 表述意味:

  • 手機的電池壽命延長 3 倍,用戶只充電一次可用 4 天。
  • 貢獻碳中和。
  • 網路體驗更好。
  • 賦能自動駕駛,縮短響應時間。

IBM 2 奈米晶片製程可不好生產

台積電 5 奈米晶片每平方公釐約 1.73 億個電晶體,三星 5 奈米晶片每平方公釐約有 1.27 億個電晶體管。這樣對比,IBM 2 奈米電晶體管密度達台積電 5 奈米 2 倍。英特爾 7 奈米電晶體管密度超越台積電 5 奈米,也超過三星 7 奈米,因此業界人士表示 IBM 2 奈米晶片規格強於台積電 3 奈米。

每平方公釐有約 3.33 億個電晶體的 IBM 新型 2 奈米晶片,可不好生產。IBM 表示採用 2 奈米製程的測試晶片可在一塊指甲大晶片塞入 500 億個電晶體,2 奈米小於人類 DNA 單鏈寬度。

從上圖可見,IBM 新型 2 奈米晶片採用奈米片堆疊的電晶體,有時也稱為 gate all around 或 GAA 電晶體。

IBM 3 層 GAA 奈米片,每片奈米片寬 40 奈米,高 5 奈米,間距 44 奈米,柵極長度 12 奈米。IBM 表示,晶片首次使用底部電介質隔離,達成 12 奈米柵極長度,可以減少電流洩漏,有助於減少晶片功耗。

晶片另一個新技術就是 IBM 的內部空間乾燥製程,有助奈米片開發。且晶片廣泛使用 EUV 技術,例如晶片過程前端圖案化 EUV,不僅中間和後端。這技術最終可讓製造 2 奈米晶片步驟比 7 奈米少,促進晶圓廠發展,也可降低部分成品晶圓成本。

最後,2 奈米晶體管的閾值電壓(上表 Vt)可根據需要增大和減小,如手持設備電壓較低,百億級電腦 CPU 的電壓較高。IBM 並未透露 2 奈米技術是否採用矽鍺通道,但顯然有可能。

誰能幫 IBM 打造 2 奈米?

這麼強悍的晶片當然涉及生產。IBM 能自己解決嗎?早期 IBM 有深厚技術積累,如 32 奈米節點 AMD 使用的 SOI 製程也來自 IBM 合作研發。

IBM 曾擁有晶圓廠,Power 處理器就是自產自銷。後期因業務調整,2014 年將晶圓業務技術專利賣給格羅方德。2018 年 8 月,格羅方德宣布無限期停止 7 奈米製程投資研發,專注現有 14 / 12 奈米 FinFET 製程及 22 / 12 奈米 FD-SOI 製程,隨後 AMD 宣布將 CPU 及 GPU 全面轉向台積電,當時業界紛紛表示 IBM 很受傷。

如今 IBM 沒有代工廠。

目前台積電和三星正在生產 5 奈米晶片,英特爾致力 7 奈米晶片技術。按投產進度來看,台積電計劃年底開工投產 4 奈米晶片,大量生產要等到 2022 年;3 奈米晶片技術投產進程預計更晚,要到 2022 下半年;2 奈米晶片技術更處於相對早期開發階段。

時間推算也是在半導體公司不拖延下的假設。關於 3 奈米製程,業界表示將於今年試產,2022 年量產大概率可以量產。那麼 2 奈米呢?2020 年 9 月,經濟日報曾報導,台積電宣布 2 奈米製程獲得了重大突破,當時供應鏈預計 2023 下半年可望進入風險性試產,2024 年正式量產。

GAA 技術採用方面,三星 3 奈米導入 GAA。關於 GAA 製程,2019 年 5 月,當時 SFF(Samsung Foundry Forum)美國分會,三星就表示今年推出基於 3 奈米 GAA 製程的產品,並表示產品性能提高 35%、功耗降低 50%、晶片面積縮小 45%。

三星公佈消息時引起轟動,畢竟英特爾 10 奈米還沒量產,三星 3 奈米就要來了。台積電要到 2 奈米才會導入 GAA 技術。相比三星,台積電切入 GAA 製程較晚,雖然這與台積電本身 FinFET 巨大成功有一定的關係,但可能更多原因在於若採用新製程,從決定採用到最終實現量產,需要耗費較長時間。

如今 IBM 將大多數晶片生產外包給三星,包括 Power 10 服務器處理器,IBM 在美國紐約州奧爾巴尼仍保留一處晶片研發中心,負責晶片研發和測試,並與三星和英特爾簽署聯合技術開發協議。有媒體表示,IBM 此次 2 奈米晶片製程正在這個研發中心設計和製造。

2015 年,IBM 研發出了 7 奈米原型晶片,2017 年,IBM 又全球首發 5 奈米原型晶片。據報導,這些都是 IBM 與三星、格羅方德等幾家公司共同合作研發的成果,格羅方德 2018 年放棄 7 奈米,業界分析,大概 IBM 會找三星代工。

三星真是 2 奈米贏家嗎?

隨著製程發展,有能力製造先進節點晶片的公司不斷減少。關鍵原因是新節點成本越來越高,例如台積電最先進 300 微米晶圓廠耗資 200 億美元。

7 奈米以下,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。過去晶片製造商可以預期晶體管規格微縮為 70%,相同功率下性能提高 40%,面積減少 50%。現在性能提升在 15%~20%,就需要更複雜流程,新材料和不一樣的製造設備。

為了降低成本,晶片製造商開始部署更異構的新架構,並對最新製程節點晶片越來越挑剔。儘管 GAA 帶來性能和功耗降低,但成本非常高。

市場研究機構 International Business Strategies(IBS)數據顯示,28 奈米製程成本為 0.629 億美元,5 奈米將暴增至 4.76 億美元。三星也表示 3 奈米 GAA 成本可能會超過 5 億美元。

台積電 2 奈米切入 GAA 同樣可能有資金考量。台積電近年研發費用佔營收費用 8%~9%,營收逐年增加,研發費用也增多。對三星而言,如果真為 IBM 代工,那或許可為三星技術追趕台積電打下基礎。

不過 IBM 開發出 2 奈米晶片和 2 奈米晶片即將商用之間沒有必然關聯。回顧 IBM 進程:

  • 10 奈米 2014 年研發成功,2017 年量產。
  • 7 奈米 2015 年研發成功,2018 年量產。
  • 5 奈米 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:「新型 2 奈米晶片體現的 IBM 創新對整個半導體和 IT 業相當重要。」部分業界人士表示「這就是吹牛」,也有人表示這不是噱頭,IBM 真的有技術創新。「晶片製造方面,特別是大規模應用時,良率是重要指標。真厲害是高良率量產,這也是一般公司宣傳先進技術時,總要附上客戶名單的原因。」

這次 2 奈米研發成功,該多少年後量產呢?難說。但 2 奈米製程是否真成熟,研發成本真扛得住,製造晶片真能賣出去,還需要時間檢驗。

未來晶片突破 1 奈米,還會縮小到什麼程度?

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:shutterstock)

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