臺積電優勢不再！全球首個2nm芯片制造技術發布

　　藍色巨人終于開始發力。

　　5月7日消息，IBM公司周四宣布，其在芯片制程工藝上取得重大突破，聲稱已打造出全球首個2nm芯片制造技術，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，這代表用戶每4天僅需為設備充電1次。

　　另外，相較于當前最先進的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，未來有助于提升網絡連接和數據處理速度，并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，且有助于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在接受外媒采訪時表示，這一成果可以看作是一項突破。IBM的這顆2nm芯片可用于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，為什么全球首個2nm芯片誕生于IBM公司？

　　自研2nm晶體管技術，惠及產業下游芯片制造代工廠

　　IBM曾是一家主要的芯片制造商，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）仍保留著一個芯片制造研究中心。該中心負責芯片研究，并與三星和英特爾簽署了聯合技術開發協議，以使用IBM的芯片制造技術進行生產。

　　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。芯片生產部分最后仍會交給三星電子、格芯、英特爾、臺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，臺積電和三星目前正在生產5nm芯片。英特爾仍在努力使其7納米節點脫穎而出。臺積電正計劃在年底前開始其4nm芯片工藝的早期生產，并于2022年實現批量生產。它的3nm節點預計要到2022年下半年，而2nm芯片仍處于相對較早的開發階段。這意味著，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，用于研發用途，距離最后量產依然有很長的路要走。

　　根據nextplatform報道，目前擔任IBM混合云研究副總裁的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，他隨后又負責了65納米和45納米SOI的推進，之后他對對用于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。

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

　　晶體管（transistor）是一種類似于閥門的固體半導體器件，可以用于放大、開關、穩壓、信號調制和許多其他功能。

　　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并排放置，利用類似電子開關形成二進制數字1和0的變化。后者盡管有更快、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，其采用2納米工藝制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：這里沒有測量的特征實際上是在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于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、內部空間干燥工藝（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，制造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，并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，臺積電最先進的芯片采用其5nm工藝制造，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。

　　盡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。

　　對于更多有關這顆2nm芯片的技術細節，IBM目前暫未對外透露。

　　距離量產還有數年時間

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

　　IBM表示，憑借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于今年晚些時候在基于Powe10的IBM Power Systems中首次亮相。

　　事實上，IBM早就將芯片制造部分交出去了，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，所以突然發布了新的芯片技術，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，盡管沒有自己的芯片代工產品，但IBM與其他制造商合作為自己的制造設施開發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，并取得了一些效果。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芯片的算力提升對于IBM來說至關重要，也是其在行業提升的重要助力。

　　今年4月，IBM發布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%；凈利潤為9.55億美元，同比下降19%。但該公司云及認知軟件部門，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于消費電子產品的2nm芯片技術。