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全球首個2nm芯片問世！臺積電霸主地位不保？
2022-03-07
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半導體歷史上出現新里程碑：IBM于紐約時間5月6日在其官網宣布制造出世界上第一顆2nm芯片，揭開了半導體設計和工藝方面的突破。IBM預計與當今最新一代的AMD最新一代CPU和GPU所采用的最先進的7nm芯片相比，2nm芯片將實現提高45％的性能或降低75％的功耗。
IBM Research
圖源：IBM官網
據了解，該芯片的制造者為IBM奧爾巴尼研究室（IBM Research Albany）。IBM曾是一家主要的芯片制造商，現已將其大量芯片生產外包給三星電子，但其在紐約州奧爾巴尼仍保留著一個芯片制造研究中心，IBM科學家在該實驗室與公共和私營部門合作伙伴密切合作，負責對芯片進行試運行。
據路透社此前報道，該實驗室與三星和英特爾簽署了聯合技術開發協議，商定合作使用IBM的芯片制造技術。本次宣告制造完成的2nm芯片就是該實驗室的最新研究成果。
IBM 2nm芯片有何價值？
業界對IBM制造出2nm芯片表現出極大興趣，很大程度在于2nm芯片意味著芯片性能的極大提升。
IBM Research 2 nm芯片
圖源：IBM官網
據 IBM 的說法，這些先進的2 nm芯片的潛在優勢可能包括：
1）大幅提高芯片性能；其 2nm 架構實現現有的 7nm 相同的性能下，僅使用現在25% 的電力，手機電池壽命增加三倍，僅要求用戶每四天為設備充電一次。
2）降低碳排放：數據中心占全球能源使用量的百分之一，將其所有服務器更改為基于2 nm的處理器可能會大大削減數據中心的碳足跡。
3）提升筆記本訪問速度：從更快地處理應用程序到更輕松地協助語言翻譯以及更快地訪問互聯網，極大地加快了筆記本電腦的功能。
4）促進新應用落地：有助于自動駕駛汽車（例如自動駕駛汽車）中更快的物體檢測和反應時間。
總的來說，2nm芯片價值在于提升現有的電子設備性能并能加速下一代芯片應用落地。
值得注意的是，IBM展示的這項創新技術，背后是芯片架構的創新。晶體管是芯片最基本的組成部分，它的作用就像一個電子開關，把“開關”做得越小，盡量克服因開關變小給電流的控制能力帶來影響，就能讓數據傳輸更快、更低功耗。
據AnandTech的專欄作家Ian Cutress指出，IBM并未說明其2nm芯片采用的具體工藝，但根據其官網公布的相關制造工藝圖片和視頻可推測應為三棧全柵極工藝（three-stack GAA），其架構是業界首創。
2 nm納米片設備
圖源：IBM官網
IBM的三棧GAA工藝使用的單元高度為75 nm，單元寬度為40 nm，單個納米片的高度為5 nm，納米片間距為5 nm。柵極多晶硅間距為44nm，柵極長度為12nm。IBM表示，其設計是第一個使用底部介電隔離通道的設計，該通道可實現12 nm的柵極長度，并且其內部間隔物是第二代干法工藝設計，有助于實現納米片的開發。
IBM稱，三棧全柵極工藝的突破性創新使2 nm芯片能夠在指甲蓋大小的芯片上容納多達500億個晶體管。據媒體進一步求證，IBM稱指甲蓋面積為150平方毫米即每平方毫米可容納3.33億個晶體管（MTr / mm 2）。
IBM這一創新或意味著先進制程芯片的架構從FinFET轉向GAA工藝的趨勢。目前，晶圓代工龍頭臺積電在5nm和3nm節點均采用鰭式場效應晶體管（FinFET）結構，三星正研制3nm的GAA工藝，此前也有媒體報道稱，臺積電2nm工藝將采用以GAA工藝為基礎的MBCFET架構。
IBM研究室主任達里奧·吉爾（Darío Gil）稱：“計算領域的進步歸根結底是晶體管性能變得更好。但技術發展到現階段已經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技術出現時，這都是件大事。”
是否動搖臺積電晶圓代工霸主地位？
有臺媒體提出擔憂：IBM率先宣告2nm芯片研制成功，這會否影響臺積電的晶圓代工霸主地位呢？
據臺灣專家楊瑞臨表示，IBM的2nm芯片的成功試產驗證了GAA新結構的可行性，將可加速GAA量產，是半導體業的大事。這可能增加臺積電的競爭壓力，不過晶圓代工霸主的地位應該不會動搖。
據悉，3D封裝時代，芯片尺寸并非評判性能強弱的唯一標準。目前因為芯片由2D平面轉向3D發展，過去比較零組件最小尺寸的意義已失去，所謂幾nm更多只是一種“換代”的概念，以臺積電的7nm芯片和英特爾的7nm芯片相比，英特爾單芯片上的晶體管就遠超臺積電。若比較芯片性能，比較有意義的比較基準或許是單位面積的晶體管密度。
IBM、臺積電、英特爾、三星各制程節點晶體管密度對比
圖源：AnandTech
IBM的2nm制程官宣是在150平方毫米的面積中容納500億個晶體管，平均每平方毫米密度是3.3億個，臺積電目前宣布的3nm制程平均每平方毫米是2.9億個，稍落后于IBM。但Ian Cutress指出，這些密度值通常列為峰值密度，在實際應用中，發揮作用的晶體管密度會受到功耗和散熱影響，處理器發揮最高性能時晶體管工作的數量通常只有峰值密度的一半。言下之意是，臺積電的3nm工藝和IBM的2nm工藝性能差別或許并沒有想象中那么大。
另一方面，在芯片制造領域，率先宣告技術試產成功固然有其技術領先之處，但成功量產達到商用才是技術成熟的標志。
IBM并非首次宣布已經掌握最先進制程工藝：2015年IBM宣布試制7nm制程芯片成功，但一直到2020年8月才有第一個商用化產品Power10芯片出現。同期臺積電已經成功量產5nm芯片，是當之無愧的最先進晶圓代工技術掌握者。
且IBM早在2014年退出代工業務，將其IBM Microelectronics部門出售給格芯，按照IBM奧爾巴尼研究室簽訂的合作協議，其2nm芯片代工業務或將委托給三星、格芯、英特爾等合作企業。
從當前來看，格芯在先進制程工藝上還稍為落后，Intel的7nm制程芯片預計2023年投產，三星目前的技術規劃僅到3nm，2nm暫時未見披露。此前IBM半導體研發核心人員Mukesh Khare也預計，更新一代的Power11應該在2023年左右出現，采用成熟的5nm工藝。采用IBM 2nm技術量產芯片計劃似乎還沒有真正提上日程。
圖源：科技新報
而臺積電方面，按照此前媒體公布的進度，臺積電的4nm與3nm芯片預計2022年量產，2nm芯片也已經取得了關鍵性的突破，試產進度緊跟IBM，有望在2023年下半年進行風險性試驗，2024年進入量產階段。
圖源：中國臺灣經濟日報
從技術演進來看，臺積電2nm技術試產略落后于IBM，但量產計劃更為提前。
綜上，整體來看，在先進制程技術上的研究，臺積電并沒有大幅落后于率先實現2nm芯片試產IBM，IBM本次技術更新固然顯示了其作為全球領先的半導體技術研究中心之一的實力，但臺積電晶圓代工龍頭的實力也是不容小覷。
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