IBM推出全球首款2纳米制程芯片每平方毫米3.3亿晶体管

　　原标题：全球首款2纳米制程芯片问世：每平方毫米3.3亿晶体管，IBM打造

　　来源：机器之心

　　作为计算机芯片的最基础构建块，晶体管的体积变得越来越小，相应地芯片速度变得更快且更加节能。当前，7nm和5nm制程工艺是手机和笔记本电脑中所用芯片的主流选择。2021年3月，三星公布了全球首款3nm‘SRAM芯片’，并预计于2022年起量产。

　　在各大芯片厂商‘你追我赶’的激励角逐中，IBM率先秀出了全球首个2nm芯片制造技术。

　　5月6日晚间，IBM公布了其在半导体设计和工艺方面的一项重要突破：全球首款采用2nm制程工艺的芯片，有助于将半导体行业提升到一个新的水平。与当前主流的7nm芯片相比，IBM2nm芯片的性能预计提升45%，能耗降低75%。与当前领先的5nm芯片相比，2nm芯片的体积也更小，速度也更快。

IBM2nm制程工艺的芯片。

　　具体来说，2nm芯片的潜在优势包括如下：

　　手机续航时长翻两番，用户充一次电可以使用四天；

　　大幅度减少数据中心的能源使用量；

　　显著提升笔记本电脑的性能，比如更快运行应用程序、完成语言翻译和互联网访问；

　　有助于自动驾驶汽车实现更快的目标检测和反应时间。

　　从更具体的细节来看，IBM2nm芯片每平方毫米容纳3.33亿个晶体管，对比之下，台积电5nm芯片每平方毫米容纳1.713亿个晶体管，三星5nm芯片每平方毫米容纳1.27亿个晶体管。

近摄镜头下的2nm晶圆。

　　作为曾经一家主要的芯片制造商，IBM现在将其芯片生产外包给了三星，但依然在纽约奥尔巴尼市保留了一家芯片制造研发中心。该中心主要负责芯片的测试运行，并与三星和英特尔签署联合技术开发协议，以使用IBM的芯片制造技术。此次公布的2nm芯片正是在这里设计和制造的。

IBM位于纽约奥尔巴尼市的芯片制造研发中心。

　　更高的晶体管密度、全新架构设计

　　与7纳米处理器相比，IBM推出的2nm芯片在相同功率下性能提升45%，能效则要高出75%。IBM指出，他们是第一个分别在2015年、2017年推出7nm、5nm的研究机构，后者已从FinFET升级为纳米片技术，从而可以更好地定制单个晶体管的电压特性。

　　IBM表示，该技术可以将500亿个晶体管安装到一个指甲大小的芯片上，从而使处理器设计人员拥有更多选择，比如可以注入核心级创新来提高AI和云计算等前沿工作负载的功能，以及探寻硬件强制安全性和加密的新途径等。

　　如你们时常从其他报道中所了解的，不同的芯片代工厂（台积电、三星等）对晶体管密度有不同的定义。值得注意的是，这些关于密度的数字通常被列为峰值密度。

StackedGAA（切入环绕式栅极技术，gate-all-around）

　　关于新制程中如何制造晶体管的关键技术Gate-All-Around/nanosheet（环绕式栅极技术晶体管），虽然IBM还没有明确说明，但图片显示这款新的2nm处理器使用了three-stackGAA设计。

　　在目前的新制程竞争中，三星计划在3nm节点上推出GAA（三星将自己的技术称为MBCFET）。其计划在2020年底即开始MBCFET的风险试产，2021年规模量产，同时在2021年推出第一代MBCFET的优化版本。台积电则仍希望在3nm上继续使用FinFET，等到2nm芯片才会推出GAA。根据规划，台积电的2nm工艺会在2023年开始风险试产，2024年量产。

　　相比之下，可以预见英特尔将在其5nm工艺上引入某种形式的GAA。预计到2023年，这家公司会在5nm节点上放弃FinFET，转向GAA环绕栅极晶体管。

　　正如目前大规模应用的FinFET工艺拯救了芯片产业，在5nm以下的时代，GAAFET或将成为半导体产业继续向前发展的关键。不过，GAAFET工艺的制造难度显然是极高的。

　　IBM的3-stackGAA设计采用了75nm的单元高度，40nm的单元宽度，单个纳米片的高度为5nm，彼此之间间隔5nm。栅极间距为44nm，栅极长度为12nm。IBM表示，3-stackGAA是首个采用底部介电隔离通道的设计，这使得12nm栅长成为可能，并且其内部的间隔器采用第二代干式工艺设计，有助于纳米片的开发。

　　在实施过程中，IBM还广泛地使用EUV技术，并包括在芯片过程的前端进行EUV图案化，而不仅是在中间和后端，后者目前已被广泛应用于7nm工艺。重要的是，IBM这个芯片上的所有关键功能都将使用EUV光刻技术进行蚀刻，IBM也已经弄清楚了如何使用单次曝光EUV来减少用于蚀刻芯片的光学掩模的数量。

　　目前，还没有提供关于2nm测试芯片的细节，现阶段，它可能是一种简化的SRAM测试工具，逻辑不多。IBM表示，测试设计使用multi-Vt方案来进行高性能和高效率的应用演示。

　　虽然2nm制程工艺的芯片在性能和能耗方面都较当前7nm和5nm更强，但很大程度上只是概念验证，离上市还有很长一段时间。在2015年7月，同样是IBM率先宣布制成了7nm芯片，而直到2019年下半年，人们才能买到带有7nm芯片的手机。

　　据悉，2nm制程的技术大概需要几年的时间才能进入市场。

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