指甲盖大小塞了500亿晶体管!领先台积电，IBM打造世界首款2纳米芯片!能耗仅为7纳米的1/4!

2022-11-29 04:12:24

文章来源：EETOP

我们知道在2014年IBM已将其Microelectronics部门出售给GlobalFoundries时，IBM就已经宣告退出芯片代工业务。

但这几年来，尽管IBM退出了代工业务，不过好像IBM在半导体先进工艺研发上一直没有放弃，时不时会传出IBM推出领先世界一两代的最先进的技术。

据IBM官网5月6日消息，IBM宣称自己打造了世界首个2纳米的芯片，大幅推进了当前芯片生产技术的前沿，在半导体设计及制程上取得突破。

在IBM Research的Albany工厂制造的2 nm晶圆的特写，肉眼可见单个芯片

使用透射电子显微镜观察到的2nm芯片,2nm小于人类DNA单链的宽度

IBM官网发布的2纳米芯片宣传片：

性能获飞跃进展

在这里IBM的2nm制程号称在150mm²（指甲盖大小）的面积中塞入了500亿个晶体管，平均每平方毫米为3.3亿个。做为对比，台积电和三星的7nm制程大约在每平方毫米是9,000万个晶体管左右，三星的5LPE为1.3亿个晶体管，而台积电的5nm则是1.7亿个晶体管。

据IBM 的说法，其2nm 架构可以在与现有的7nm 相同的性能下，仅是7纳米的1/4的功耗，也就是说放到现代手机中的话，可能四天才需要充一次电。又或者，它也能在与现有的7nm 相同的能耗下，增加45%的性能，在笔电、自驾车等较不在意功耗的场景下，可能带来更高的运算力。其他包括资料中心、太空探索、人工智能、5G、6G，乃至于量子运算都可能在受惠之列。

2纳米的研发路线及技术细节

据悉，目前担任IBM混合云研究副总裁的Mukesh Khare带领其完成了2纳米技术的突破。

资料显示，Khare在1999年到2003年间，从事90纳米SOI工艺的开发，该工艺将Power4和Power4+推向市场，他随后又负责了65纳米和45纳米SOI的推进，这些技术被Power5和Power6采用；之后他对对用于Power7的32纳米技术进行了研究，然后研究了在Power8上使用的22纳米工艺中使用的高k /金属栅极技术。然后Khare继续担任奥尔巴尼纳米技术中心的半导体研究总监，

如下图所示，这是IBM掌握的2纳米芯片制造技术的要点。里面有很多东西，让我们把它拆开一点。

首先，在这个芯片上，IBM用上了一个被称为纳米片堆叠的晶体管，它将NMOS晶体管堆叠在PMOS晶体管的顶部，而不是让它们并排放置以获取电压信号并将位从1翻转为零或从0翻转为1。这些晶体管有时也称为gate all around或GAA晶体管，这是当前在各大晶圆厂被广泛采用的3D晶体管技术FinFET的接班人。从以往的介绍我们可以看到，FinFET晶体管将晶体管的源极和漏极通道拉入栅极，而纳米片将多个源极和漏极通道嵌入单个栅极以提高密度。

IBM表示，其采用2纳米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。

在IBM的这个实现方案下，纳米片有三层，每片的宽度为40纳米，高度为5纳米。如果您在上表的右侧看，那是一张纳米片的侧视图，显示出它的侧视图，其间距为44纳米，栅极长度为12纳米，Khare认为这是其他大多数晶圆代工厂在2纳米工艺所使用的尺寸。

2纳米芯片的制造还包括首次使用所谓的底部电介质隔离（bottom dielectric isolation），它可以减少电流泄漏，因此有助于减少芯片上的功耗。在上图中，那是浅灰色的条，位于中部横截面中的三个堆叠的晶体管板的下面。

IBM为2纳米工艺创建的另一项新技术称为内部空间干燥工艺（inner space dry process），从表面上看，这听起来不舒服，但实际上这个技术使IBM能够进行精确的门控制。

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7纳米工艺。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。

这样的改善带来的最终结果是，制造2纳米芯片所需的步骤要比7纳米芯片少得多，这将促进整个晶圆厂的发展，并可能也降低某些成品晶圆的成本。这是我们能看到的。

最后，2纳米晶体管的阈值电压（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2纳米技术是否会采用硅锗通道，但是显然有可能。

能否量产是关键

当然，公布制程试制成功，和能量产依然是两码事，IBM自己2015年就宣布试制7nm制程成功，但一直到去年八月才有第一个商用化产品出现。因此IBM这里宣示的意味是比较浓厚，何时能有产品推出又是另一回事了。

目前量产的制程技术中，领先的是台积电的5nm，由苹果的M1、A14芯片及华为的Kirin 9000所用，次之为三星的5LPE，用在Snapdragon 888芯片上，再来就是两间公司应用广泛的7nm制程技术了。自然，所有人也都努力向着更高密度的芯片推进中，其中台积电的4nm与3nm预计明年量产，而2nm也已经取得了关键性的突破，离IBM并不远。反倒是Intel的7nm制程芯片（Intel的制程技术晶体管密度较高，因此约略介于台积电的5nm与4nm之间）要等到2023年才投产，还是慢了一步了。

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