藍色巨人崛起了!

 

近日,IBM宣布了一條可以轟炸整個科技圈的消息,成功研發出了全球###2nm EUV工藝的半導體芯片。


IBM表示,與臺積電的5nm相比,2nm芯片的晶體管密度幾乎是前者的兩倍,達到了333.33 MTr/mm2,即每平方毫米可容納3.3億個晶體管。

 

 

講的生動形象點,就是這種技術可以在人的指甲蓋(大概150平方毫米)上安裝500億個晶體管。

 

按照IBM官方的說法,在電力消耗統一的條件下,2nm相較于7nm性能高出45%,而在同一輸出性能下,2nm的功耗也會減少75%。

 

2nm芯片,IBM###個實現量產?

眾所周知,目前###先進且實現量產的芯片工藝為5nm,而臺積電改良版的5nm EUV工藝將會在2021下半年推出,有傳言稱,蘋果的A15仿生芯片會搭載這項技術。

 


IBM宣布造出2nm芯片之前,這家公司是沒有10nm以下的工藝晶圓場的,現在出了這么大一個新聞,是否意味著IBM直接從10nm以上的制程工藝直接過渡到2nm呢?

 

當然不是,因為IBM的2nm是在位于紐約州奧爾巴尼的芯片制造研究中心做出來的,要知道實驗室做出來的東西與實現量產,兩者之間的關系并不對等。

 

通常情況下,工藝從實驗室里出來,到正式量產商用,這一過程需要芯片代工廠不斷提升晶圓的良率。所謂的晶圓良率,指的是###終完成所有測試的合格芯片與整片晶圓上的有效芯片的比值,晶圓良率越高,產出的芯片就會越多,廢棄的芯片也就越少。簡單點來講,就是晶圓良率決定了工藝成本。

 

如果工藝的晶圓良率很低,量產需要芯片代工廠投入更多的晶圓,成本隨之增加,這些增加的成本會給到廠商,產品的價格漲了,###終這些成本會疊加到消費者身上。

 


就目前來看,IBM的2nm芯片還處于實驗室階段,距離量產商用還很遙遠,即便解決了晶圓良率問題,IBM現在也沒有大規模實現量產芯片的能力,反倒是有可能將這項制程工藝交給像臺積電、三星這樣的芯片制作商進行代工。

 

為什么這么說?因為IBM在2014年將自己的晶圓廠賣給了格羅方德(一家位于美國加州硅谷桑尼維爾市半導體晶圓代工廠商),所以,現在的IBM可以說是“力不從心”。

 

IBM的2nm工藝是什么技術?

5nm工藝推出之前,業界采用的是FinFET(鰭式場效應晶體管)結構,與傳統晶體管結構,只能在閘門一側控制電路連通與斷開不同,FinFET晶體管結構中的閘門類似魚鰭的叉狀,可以控制閘門兩側電路的連通和斷開,進一步減少了漏電的幾率,同時,大幅縮短了晶體管的柵長。

 

講得通俗易懂點,就是傳統的FET(場效應管)屬于平面架構,只能控制一側的電路,而FinFET則是3D立體架構,可以同時控制兩側電路。

 


當工藝演進到5nm后,FinFET結構已經無法滿足晶體管所需的靜電控制,會出現嚴重的漏電問題。

 

為此,三星率先采用了GAA(環繞式柵極)的晶體管結構,并對3nm制程工藝的芯片進行研發。

 

不湊巧的是,IBM的2nm制程工藝也是同樣的GAA結構。不過,GAA晶體管結構又可分為納米線結構GAAFET和納米片結構MBCFET,而IBM采用的是納米片結構。

 


與納米線結構相比,納米片結構的接觸面積更大,但不利于片與片之間的刻蝕(通過化學或物理的方法去除硅片表面不需要的部分)和薄膜生長(集成電路在制造過程中需要在晶圓片表面生長數層材質不同、厚度不同的薄膜)。

 

需要注意的是,IBM的2nm已不再是指柵極長度(MOS管的###小溝道長度),而是等效成了芯片上晶體管節點密度。因此,這里的2nm只是一個命名代號,而非物理上的2nm。

 

 


另外,IBM表示,2nm制程工藝還用到了其他技術,例如為了減少漏電和降低功耗的「底部電介質隔離」技術;可以精準門控的「內層空間干燥處理」技術;還有用于圖案薄膜或大部分晶片部分的「EUV光刻」技術。

 

老牌芯片制造商的2nm進度如何?

說白了,IBM宣布2nm芯片,只是為了「秀肌肉」罷了,想要引起外界更多的關注。

 

既然知道了IBM 2nm是實驗室產品,還無法實現量產,那么像三星和臺積電這樣的元老級芯片制作商的2nm進展如何呢?

 

結合現有的消息來看,臺積電和三星的5nm均已實現量產。臺積電計劃今年下半年推出N5P工藝,也就是升級版的5nm工藝。到了2022,臺積電將量產4nm工藝,進一步擴大EUV的適用范圍;2022下半年,臺積電將量產3nm工藝。

 

###于2nm工藝,此前據臺媒報道稱,臺積電預計會在2024年實現2nm工藝的量產。

 


而三星這邊暫時沒有量產2nm工藝的消息,只是決定自家3nm工藝將采用GAA架構。

 

值得一提的是,由于IBM并沒有量產2nm的能力,再加上它與三星和英特爾有合作,如果IBM搶在臺積電和三星之前,解決了晶圓良率問題,那么2nm工藝###有可能讓三星來代工。

 

總結

在整個半導體行業,只有晶圓良率提升到一D的程度,芯片才能實現大規模量產,然后再轉化成產品來到消費者手中。所以,歷代IBM制程工藝的研發都要早于臺積電量產的時間。

 

舉個例子,IBM在2015年研發出了7nm制程工藝,而臺積電的7nm量產時間為2018年;再比如5nm制程工藝,IBM研發時間為2017年,臺積電則是在2020年才實現了5nm工藝的量產。因此,IBM提前研發出2nm制程工藝,實屬正常。

 

芯片制造技術可以看作是一種點石成金的煉金術,只要能掌握這項核心技術,那么便可以輕松控制上下游產業鏈。如果中國制造能夠在芯片領域獲得新突破,并加入全球產業競爭內卷的話,這對于國內的消費者來說,###可以稱得上是一件值得高興的事。

 


不過,從不好的方面來看,3nm制程工藝或許已經是突破「摩爾定律」的極限,因為硅的晶格常數是543pm,再往前是不可能突破物理極限的,所以只能另辟蹊徑,芯片廠商需要探索新的架構和設計。

本質上,IBM的2nm并沒有突破物理極限,而是采用了新的GAA架構,雖然可以通過增大晶體管節點的密度,來提升芯片的性能,但是這種解決方案也不是###的,缺點也很明顯(片與片之間刻蝕和不利于薄膜生長)。如果找不到新的突破口的話,###壞的結果就是整個芯片行業可能會停滯不前。

 

以5nm為例,蘋果的A14仿生芯片采用的是臺積電5nm制程工藝,而現在安卓旗艦搭載的驍龍888則是三星的5nm工藝,前者性能相較于上代提升并不明顯,甚###可以說是擠牙膏;后者發熱嚴重,功耗翻車。綜合來看,5nm的實際表現還不如7nm。

 

如果按照這個思路繼續往下推導的話,IBM的2nm可能沒有想象中的那么好,往往理論并不能代表實際表現。