「指甲蓋」上集成500億晶體管！全球首款2nm芯片制程發(fā)布，未來手機四天一充電？

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  新智元報道  

來源：venturebeat

編輯：小勻

【新智元導(dǎo)讀】將500億個晶體管集成到指甲大小的芯片上？藍色巨人稱：我們做到了！近日，IBM宣布了他們的2納米工藝技術(shù)，并稱比目前主流的7納米芯片快 45%，功耗減少 75%。然而，2納米的說法卻引發(fā)了當(dāng)下對工藝節(jié)點名稱的新思考。

也許你都忘了，IBM曾是一家大牌的芯片制造商。

但它今天給我們提了個醒兒：全球第一個 2 納米芯片制造技術(shù)，誕生在了紐約州奧爾巴尼的IBM研究院。

在IBM研究院的阿爾巴尼工廠制造的2納米晶圓

每十年都是考驗?zāi)柖蓸O限的期限，以2021為開端的十年也不例外。

隨著極紫外（EUV）技術(shù)的到來，加上其他更多的技術(shù)改進，晶體管尺寸得以減少。但目前看來，這項技術(shù)已經(jīng)趨于瓶頸。

據(jù)IBM稱，其新推出技術(shù)這種架構(gòu)可以平衡性能與能源效率——比目前主流的7納米芯片快 45%，功耗減少 75%。

這個消息，就像一個重磅炸彈，在臺積電、三星、英特爾盤踞太久的芯片行業(yè)，讓IBM狠狠地刷了波存在感。

但必須澄清的是，雖然該工藝節(jié)點被稱為「2納米」，這個2nm跟傳統(tǒng)談?wù)摰木€寬不一樣。

全球首個2納米芯片制造技術(shù)，但2納米的標(biāo)簽?zāi)愀闱辶藛?br>

在過去，這個尺寸曾經(jīng)是芯片上二維特征尺寸的等效度量，如90納米、65納米和40納米。

然而，隨著FinFET和其他3D晶體管設(shè)計的出現(xiàn)，現(xiàn)在的工藝節(jié)點名稱是對「等效2D晶體管」設(shè)計的解釋。一般用晶體管密度可以更準(zhǔn)確的衡量，如同英特爾倡導(dǎo)的那樣。

例如，英特爾的7納米工藝將與臺積電的5納米工藝大致相同；臺積電的5納米工藝也甚至沒有50%的改進（它比7納米工藝只提供15%的改進），所以稱其為5納米工藝本身就有點牽強。根據(jù)IBM的說法，他們的「2納米」技術(shù)比臺積電的7納米工藝有大約50%的改進，這樣以來——即使按照當(dāng)今最寬松的標(biāo)準(zhǔn)，也頂多是3.5納米技術(shù)。

但這不代表IBM的新消息沒有技術(shù)含量。

IBM表示，新芯片將在「手指甲大小」的芯片中配備多達500億個晶體管，這使得IBM的晶體管密度為每平方毫米3.33億個晶體管（MTr / mm 2）。

通過下表可以獲得更好的比較：

不同的代工廠有不同的官方名稱，有各種密度。值得注意的是，這些密度數(shù)字通常被列為峰值密度，用于晶體管庫，其中芯片面積是峰值關(guān)注點，而不是頻率擴展--由于功率和熱方面的考慮，通常處理器最快的部分的密度是這些數(shù)字的一半

關(guān)于向全方位門/納米片晶體管的發(fā)展，雖然IBM沒有明確表示，但圖片顯示，這種新的2納米處理器采用了三層GAA設(shè)計。

IBM 2納米硅制造工藝的剖面圖：疊加式GAA（Stacked GAA ，其中GAA是「切入環(huán)繞式柵極技術(shù)」的簡稱)

此前，三星在3納米時引入GAA，而臺積電則要等到2納米。相比之下，英特爾將在其5納米工藝中引入某種形式的GAA。

該工藝包括每個鰭片中的三個門-周圍（GAA）納米片通道。極端紫外線（EUV）處理對于定義工藝中的小尺寸是必要的，但它允許納米片的寬度在15納米到70納米之間。為了呼應(yīng)IBM早期在絕緣體上的硅（SOI）工作，該工藝包括一個底部電介質(zhì)隔離，以實現(xiàn)12納米的門長。IBM已經(jīng)開發(fā)了一種內(nèi)隔板干式工藝，以提供精確的柵極尺寸控制。該工藝支持多種閾值電壓，用于SoC和高性能計算應(yīng)用。這是首次在工藝的FEOL部分使用EUV圖案，使關(guān)鍵層的設(shè)計的所有階段都能使用EUV

據(jù)IBM稱，這項先進技術(shù)的潛在好處可能包括：

• 手機電池壽命翻兩番，只要求用戶每四天給他們的設(shè)備充電一次。

• 減少數(shù)據(jù)中心的碳足跡，這些中心占全球能源使用量的1%，即5.8億兆焦耳。將他們所有的服務(wù)器改為基于2納米的處理器，有可能大大減少這一數(shù)字。

• 大大加快筆記本電腦的功能，從快速處理應(yīng)用程序，到更容易地協(xié)助語言翻譯，到更快的互聯(lián)網(wǎng)訪問。

• 有助于加快自動駕駛汽車等自主車輛的物體檢測和反應(yīng)時間。

另外，這項技術(shù)將使數(shù)據(jù)中心的電源效率、太空探索、人工智能、5G和6G以及量子計算等領(lǐng)域受益。

全球芯片巨頭進程概覽，IBM有可能挑戰(zhàn)臺積電地位嗎？

好漢不復(fù)當(dāng)年勇。藍色巨人IBM早就沒有芯片巨頭這一形象了。

想當(dāng)年美國存儲器憑著Sematech聯(lián)盟崛起，也是靠IBM慷慨捐贈的一條晶圓線。

的確，IBM現(xiàn)已將其大量芯片生產(chǎn)外包給三星電子。在紐約州奧爾巴尼（Albany）仍保留著一個芯片制造研究中心。該中心負(fù)責(zé)對芯片進行試運行，并與三星和英特爾簽署了聯(lián)合技術(shù)開發(fā)協(xié)議，以使用IBM的芯片制造技術(shù)。

紐約州Albany附近有很多比較出名的大學(xué)和研究中心：例如GE的全球研發(fā)中心、IBM、和相關(guān)的幾家晶圓廠

也就是在這里，IBM悶聲搞大事，加入了本屬于臺積電和三星的爭奪戰(zhàn)。

去年秋天，蘋果的M1和A14與華為的麒麟9000一起到來，成為首批基于臺積電5納米技術(shù)節(jié)點工藝的處理器。

另一邊，三星正在奮力追趕遲遲落后的五納米制程。

其他制造商，如AMD和高通，現(xiàn)在通常使用臺積電的7納米芯片（盡管高通的驍龍 888是在三星的5納米技術(shù)上制造的）。

而至于英特爾，這家芯片巨頭計劃在2025年和2027年分別完成3納米和2納米節(jié)點。在2023年之前該公司不太可能發(fā)布7納米處理器——它目前正在使用10納米和14納米芯片。但是必須承認(rèn)，英特爾的芯片在相同的納米數(shù)字上往往比競爭對手有更大的晶體管密度。

與此同時，臺積電也在研究2納米工藝，其4納米芯片工藝有望在2021年底實現(xiàn)風(fēng)險生產(chǎn)，3納米處理器預(yù)計將在2022年下半年推出，2納米版本也于2019年開始研究，目前正在開發(fā)中。

但雄心歸雄心，鎧甲還是很重要的。

先進納米制程所必須的極紫光刻機EUV，ASML在全球生產(chǎn)了100臺，其中70臺都?xì)w臺積電。

IBM這項2納米芯片制造技術(shù)，還需要幾年時間才能推向市場。而屆時臺積電的3納米或早已稱新王了。

芯片上更多的晶體管也意味著處理器設(shè)計人員擁有更多的選擇。IBM已經(jīng)在最新一代的IBM硬件中實現(xiàn)了其他創(chuàng)新的核心級增強功能，例如IBM POWER10和IBM z15。

但更強大、更高效的CPU正奔赴而來，這不值得興奮嗎？

參考資料：

https://www.engadget.com/ibm-2nm-chip-power-efficiency-100001102.html

https://venturebeat.com/2021/05/06/ibm-details-planned-2-nanometer-chip-process/

https://www.anandtech.com/show/16656/ibm-creates-first-2nm-chip

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