2nm 芯片真的来了？

IBM 宣布推出全球首个 2nm 芯片制造技术引起了大家的注意。与 7nm 的技术相比，预计将带来 45% 的性能提升或 75% 的能耗降低，而比起当前最尖端的 5nm 芯片，2nm 芯片的体积更小、速度更快。

从 IBM 的表述意味着：

• 手机的电池寿命延长三倍，用户只充电一次可以用四天；

• 为碳中和做出贡献；

• 互联网体验更好；

• 赋能自动驾驶，缩短响应时间... ...

IBM 的 2nm 芯片制程可不好生产

台积电的 5nm 芯片每平方毫米约有 1.73 亿个晶体管，三星的 5nm 芯片每平方毫米约有 1.27 亿个晶体管。这样对比来看，IBM 2nm 晶体管密度达到了台积电 5nm 的 2 倍。

而 Intel 的 7nm 晶体管密度超越了台积电 5nm，也超过了三星的 7nm，因此有业内人士表示 IBM 2nm 芯片在规格上强于台积电的 3nm。

而每平方毫米有大约 3.33 亿个晶体管的 IBM 新型 2nm 芯片，可不是好生产的。

IBM 表示，其采用 2nm 工艺制造的测试芯片可以在一块指甲大小的芯片中容纳 500 亿个晶体管，而 2nm 小于我们 DNA 单链的宽度。

通过图片可以看到，IBM 新型 2nm 芯片采用纳米片堆叠的晶体管，有时也被称为 gate all around 或 GAA 晶体管。

IBM 的三层 GAA 纳米片，每片纳米片宽 40nm，高 5nm，间距 44nm，栅极长度 12nm。

IBM 表示，该芯片首次使用底部电介质隔离，实现 12nm 的栅极长度，可以减少电流泄漏，有助于减少芯片上的功耗。

该芯片另一个新技术就是 IBM 提出的内部空间干燥工艺，这有助于实现纳米片的开发。

并且该芯片广泛地使用 EUV 技术，例如在芯片过程的前端进行 EUV 图案化，不仅是在中间和后端。

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

谁能帮 IBM 造 2nm？

这么强悍的芯片来袭，就涉及到生产了。IBM 能自己解决吗？

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 没有了自己的代工厂。

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。

这样的时间推算也是在半导体公司不遇到拖延的情况下的假设。

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 Foundry Forum）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%。

当时三星公布的消息引起了轰动，毕竟英特尔 10nm 还没量产，三星的 3nm 就要来了。

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。

三星真的会是 2nm 赢家吗？

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。

为了降低成本，芯片制造商已经开始部署比过去更加异构的新架构，并且他们对于在最新的工艺节点上制造的芯片变得越来越挑剔。

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。

其实，台积电在 2nm 切入 GAA 同样可能存在资金的考虑。台积电近些年的研发费用占据营收费用的 8%~9%，其营收逐年增加，研发费用也随之增多。

对于三星而言，如果真的为 IBM 代工，那么或许可以为三星在技术上追赶台积电打些基础。

写在最后

不过，IBM 已开发出 2nm 芯片和 2nm 芯片即将商用之间没有必然联系。

回顾 IBM 之前的进程：

• 10nm-2014 年研发成功，2017 年量产

• 7nm-2015 年研发成功，2018 年量产

• 5nm-2017 年研发成功，2020 年量产

IBM 研究部高级副总裁兼总监 DaríoGil 表示：”这种新型 2nm 芯片所体现的 IBM 创新对整个半导体和 IT 行业至关重要。“

关于 IBM 的 2nm 芯片，部分业内人士表示“这就是在忽悠”，也有业内人士表示这不是噱头，IBM 真的有技术上的创新。

“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。”

那么这次的 2nm 研发成功，该多少年后量产呢？难说。但是 2nm 工艺是否真的成熟，研发成本真的扛得住，制造出来的芯片真的能卖出去，还需要时间的检验。

未来，当芯片突破了 1nm，还会怎么小？

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