IBM(IBM.US)2纳米芯片问世，芯片性能要起飞？

本文转自微信公众号“雷科技”，作者：MoFirLee

蓝色巨人崛起了！

近日，IBM(IBM.US)宣布了一条可以轰炸整个科技圈的消息，成功研发出了全球首款2nm EUV工艺的半导体芯片。

IBM表示，与台积电(TSM.US)的5nm相比，2nm芯片的晶体管密度几乎是前者的两倍，达到了333.33 MTr/mm2，即每平方毫米可容纳3.3亿个晶体管。

讲的生动形象点，就是这种技术可以在人的指甲盖（大概150平方毫米）上安装500亿个晶体管。

按照IBM官方的说法，在电力消耗统一的条件下，2nm相较于7nm性能高出45%，而在同一输出性能下，2nm的功耗也会减少75%。

2nm芯片，IBM第一个实现量产？

众所周知，目前最先进且实现量产的芯片工艺为5nm，而台积电改良版的5nm EUV工艺将会在2021下半年推出，有传言称，苹果(AAPL.US)的A15仿生芯片会搭载这项技术。

IBM宣布造出2nm芯片之前，这家公司是没有10nm以下的工艺晶圆场的，现在出了这么大一个新闻，是否意味着IBM直接从10nm以上的制程工艺直接过渡到2nm呢？当然不是，因为IBM的2nm是在位于纽约州奥尔巴尼的芯片制造研究中心做出来的，要知道实验室做出来的东西与实现量产，两者之间的关系并不对等。通常情况下，工艺从实验室里出来，到正式量产商用，这一过程需要芯片代工厂不断提升晶圆的良率。所谓的晶圆良率，指的是最终完成所有测试的合格芯片与整片晶圆上的有效芯片的比值，晶圆良率越高，产出的芯片就会越多，废弃的芯片也就越少。简单点来讲，就是晶圆良率决定了工艺成本。

如果工艺的晶圆良率很低，量产需要芯片代工厂投入更多的晶圆，成本随之增加，这些增加的成本会给到厂商，产品的价格涨了，最终这些成本会叠加到消费者身上。

就目前来看，IBM的2nm芯片还处于实验室阶段，距离量产商用还很遥远，即便解决了晶圆良率问题，IBM现在也没有大规模实现量产芯片的能力，反倒是有可能将这项制程工艺交给像台积电、三星这样的芯片制作商进行代工。

为什么这么说？因为IBM在2014年将自己的晶圆厂卖给了格罗方德（一家位于美国加州硅谷桑尼维尔市半导体晶圆代工厂商），所以，现在的IBM可以说是“力不从心”。

IBM的2nm工艺是什么技术？

5nm工艺推出之前，业界采用的是FinFET（鳍式场效应晶体管）结构，与传统晶体管结构，只能在闸门一侧控制电路连通与断开不同，FinFET晶体管结构中的闸门类似鱼鳍的叉状，可以控制闸门两侧电路的连通和断开，进一步减少了漏电的几率，同时，大幅缩短了晶体管的栅长。

讲得通俗易懂点，就是传统的FET（场效应管）属于平面架构，只能控制一侧的电路，而FinFET则是3D立体架构，可以同时控制两侧电路。

当工艺演进到5nm后，FinFET结构已经无法满足晶体管所需的静电控制，会出现严重的漏电问题。为此，三星率先采用了GAA（环绕式栅极）的晶体管结构，并对3nm制程工艺的芯片进行研发。

不凑巧的是，IBM的2nm制程工艺也是同样的GAA结构。不过，GAA晶体管结构又可分为纳米线结构GAAFET和纳米片结构MBCFET，而IBM采用的是纳米片结构。与纳米线结构相比，纳米片结构的接触面积更大，但不利于片与片之间的刻蚀（通过化学或物理的方法去除硅片表面不需要的部分）和薄膜生长（集成电路在制造过程中需要在晶圆片表面生长数层材质不同、厚度不同的薄膜）。

需要注意的是，IBM的2nm已不再是指栅极长度（MOS管的最小沟道长度），而是等效成了芯片上晶体管节点密度。因此，这里的2nm只是一个命名代号，而非物理上的2nm。

另外，IBM表示，2nm制程工艺还用到了其他技术，例如为了减少漏电和降低功耗的「底部电介质隔离」技术；可以精准门控的「内层空间干燥处理」技术；还有用于图案薄膜或大部分晶片部分的「EUV光刻」技术。

老牌芯片制造商的2nm进度如何？

说白了，IBM宣布2nm芯片，只是为了「秀肌肉」罢了，想要引起外界更多的关注。既然知道了IBM 2nm是实验室产品，还无法实现量产，那么像三星和台积电这样的元老级芯片制作商的2nm进展如何呢？

结合现有的消息来看，台积电和三星的5nm均已实现量产。台积电计划今年下半年推出N5P工艺，也就是升级版的5nm工艺。到了2022，台积电将量产4nm工艺，进一步扩大EUV的适用范围；2022下半年，台积电将量产3nm工艺。

至于2nm工艺，此前据台媒报道称，台积电预计会在2024年实现2nm工艺的量产。而三星这边暂时没有量产2nm工艺的消息，只是决定自家3nm工艺将采用GAA架构。值得一提的是，由于IBM并没有量产2nm的能力，再加上它与三星和英特尔(INTC.US)有合作，如果IBM抢在台积电和三星之前，解决了晶圆良率问题，那么2nm工艺最有可能让三星来代工。

总结

在整个半导体行业，只有晶圆良率提升到一定的程度，芯片才能实现大规模量产，然后再转化成产品来到消费者手中。所以，历代IBM制程工艺的研发都要早于台积电量产的时间。

举个例子，IBM在2015年研发出了7nm制程工艺，而台积电的7nm量产时间为2018年；再比如5nm制程工艺，IBM研发时间为2017年，台积电则是在2020年才实现了5nm工艺的量产。因此，IBM提前研发出2nm制程工艺，实属正常。

芯片制造技术可以看作是一种点石成金的炼金术，只要能掌握这项核心技术，那么便可以轻松控制上下游产业链。如果中国制造能够在芯片领域获得新突破，并加入全球产业竞争内卷的话，这对于国内的消费者来说，绝对可以称得上是一件值得高兴的事。不过，从不好的方面来看，3nm制程工艺或许已经是突破「摩尔定律」的极限，因为硅的晶格常数是543pm，再往前是不可能突破物理极限的，所以只能另辟蹊径，芯片厂商需要探索新的架构和设计。

本质上，IBM的2nm并没有突破物理极限，而是采用了新的GAA架构，虽然可以通过增大晶体管节点的密度，来提升芯片的性能，但是这种解决方案也不是万能的，缺点也很明显（片与片之间刻蚀和不利于薄膜生长）。如果找不到新的突破口的话，最坏的结果就是整个芯片行业可能会停滞不前。

以5nm为例，苹果的A14仿生芯片采用的是台积电5nm制程工艺，而现在安卓旗舰搭载的骁龙888则是三星的5nm工艺，前者性能相较于上代提升并不明显，甚至可以说是挤牙膏；后者发热严重，功耗翻车。综合来看，5nm的实际表现还不如7nm。

如果按照这个思路继续往下推导的话，IBM的2nm可能没有想象中的那么好，往往理论并不能代表实际表现。

（智通财经编辑：秦志洲）