IBM首发2nm工艺 但动摇不了台积电地位

  【天极网DIY硬件频道】半导体工艺在2020年正式进入5nm时代，台积电、三星、英特尔还在继续向更先进工艺发展，未来的产品规划包括4nm、3nm等。最近， IBM首发2nm工艺芯片的消息刷屏霸占了半导体行业头条， 2nm工艺芯片对于半导体行业来说意义重大。按照IBM官方的描述，2nm技术可以让手机电池寿命延长三倍，同时带来更好的互联网体验，并为自动驾驶缩短响应时间等。 

  IBM 2nm工艺使用GAA环绕栅极晶体管技术，晶体管密度达到3.33亿/mm2，几乎是台积电5nm(1.73亿/mm2)的两倍，比外界预估台积电3nm工艺的2.9晶体管/mm2高，指甲盖大小的芯片理论最多可内建500亿个晶体管。

  从IBM 2nm工艺的晶体管3.33亿/mm2的密度来看，虽然比台积电3nm工艺高。但与台积电2nm GAA工艺比较就不一定有优势。但这次2nm来自IBM实验室，IBM没有大规模生产的条件。另外， IBM 2nm还有三星、英特尔参与，两家也可能有从中吸纳部分2nm工艺技术。 

  IBM表示2nm工艺在同样的电力消耗下，性能比7nm高出45%，输出同样性能能减少75%的功耗。细节方面， IBM的2nm工艺的纳米片为3层堆栈，高度75nm、宽度40nm，栅极长12nm，纳米片高度5nm，之所以没有一个参数是2nm的，因为IBM沿用了传统2D晶体管的命名标准。

  值得注意的是，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。芯片同时广泛地使用EUV技术，例如在芯片过程的前端进行EUV图案化，不仅在中间和后端。EUV技术还可以简化2nm芯片制造的步骤，降低部分成品晶圆成本以促进晶圆厂的发展。 

  通过图片可以看到，IBM全新的2nm芯片采用纳米片堆叠(GAA，gate all around)的晶体管。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。芯片的另一个新技术就是IBM提出的内部空间干燥工艺，帮助实现纳米片的开发。

  IBM并未透露2nm技术是否会采用硅锗通道，但可能性非常高。

  IBM也曾拥有晶圆厂，但由于业务调整，IBM在2014年将晶圆业务及技术、专利，倒贴十多亿“卖”给格芯(GlobalFoundries)，所以IBM没有属于自己的晶圆工厂。但格芯在2018年8月宣布无限期停止7nm工艺的投资研发，专注14/12nm FinFET工艺及22/12nm FD-SOI工艺， AMD随之将CPU、GPU全面转向台积电。

  目前行业的规划来看，台积电、三星正在生产5nm芯片，英特尔致力于7nm芯片技术。考虑到台积电计划在年底投产4nm工艺，量产要等到2022年;3nm芯片技术投产进程预计要到2022年下半年;2nm芯片技术更是仍处于相对早期的开发阶段。

  那2nm何时量产？经济日报曾在2020年9月报道称，台积电宣布2nm制程获得重大突破，供应链预计在2023年下半年风险性试产、2024年量产。

  GAA技术方面，三星计划在3nm节点导入GAA工艺，首次公布则是2019年5月的 SFF(Samsung Foundry Forum)美国分会。三星同时表示，将在2021年推出基于 3nm GAA工艺的产品，可带来35%的性能提高、降低50%功耗、芯片面积缩小45%。

  台积电则计划在2nm工艺节点导入GAA技术，台积电切入GAA工艺较晚的原因，除了台积电FinFET工艺取得巨大成功外，新的晶体管结构会拉长开发周期，从决定采用到最终量产需要耗费较长的时间周期。

  IBM在2015年研公布首款7nm原型芯片，2018年进入量产;2017年全球首发5nm原型芯片，随后在2020年量产。随着格芯在2018年放弃7nm，将包括Power 10服务器处理器等芯片外包给三星生产，IBM在美国纽约州的奥尔巴尼仍保留着的研发中心，除了负责对芯片进行研发和测试外，还与三星、英特尔签署联合技术开发协议。媒体表示IBM 2nm芯片正是该研发中心设计和制造的。

  虽然GAA晶体管技术可以带来更强的性能和功耗的降低，但市场研究机构International Business Strategies (IBS)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;三星也跟进表示3nm GAA 的晶圆开发成本可能超过5亿美元。

  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，原因是新节点的成本越来越高，例如台积电为最先进的300mm晶圆厂耗资200亿美元。台积电推迟切入GAA工艺可能存在资金的考虑，台积电的研发费用占据约8%~9%营收费用，并持续增加。

  为了降低芯片的制造成本，芯片制造商已经开始部署异构的产品，并且IC设计厂商对最新的工艺节点上制造的芯片变得越来越挑剔。如果能为IBM代工，三星或许有可能技术上追赶台积电。

  编辑点评：虽然IBM公布了2nm工艺，但量产至少要等2024年，而且2nm高昂的设计费用和制造成本，同样会让众多IC设计厂商望而却步。 

  另外，新技术不仅需要设计工具、IP核心的生态系统搭配，还要看量产良率、成本及客户接受度，台积电在2nm节点才会使用GAA技术，目前生态系统对GAA的投入意愿有限。虽然IBM首发2nm工艺会使得台积电的竞争压力增大，但台积电的代工霸主地位依然无法动摇，因为台积电有多元客户，有助于缩短学习曲线，快速提升良率、降低成本。而且台积电坚持不与客户竞争也是赢得客户的关键。