再次突破半导体极限,IBM抢先首次推出2nm工艺芯片

2021-05-07 17:17:40  阅读 181 次 评论 0 条

  就在台积电和三星角逐3nm的白热化阶段,蓝色巨人IBM再一次走在了前列。

  据报道,曾担任IBM半导体技术和研究副总裁穆列什·哈雷(MukeshKhare)带领的团队完成了2nm工艺技术的突破,IBM也宣布造出全球第一颗2nm工艺的半导体芯片。

  虽然IBM不直接参与晶圆代工厂之间的竞争,但它推出的技术和相关研究却对先进制程的升级有着极大的帮助。

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  2nm芯片,IBM打造

  据了解,这次2nm工艺采用三层GAA(环绕栅极晶体管)技术。

  没错,这正是三星主攻3nm工艺采用的技术。

  在今年2月的IEEE国际固态电路大会(ISSCC)上,三星抢在台积电之前展示了第一款采用3nm工艺的256GB容量SRAM存储芯片,让行业第一次窥见GAA架构的庐山真面目。

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  此外,IBM使用两项独特的工艺:底部电介质隔离(bottom dielectric isolation)以及内层空间干燥处理(inner space dry process),这正是IBM掌握的2nm芯片制造技术的核心。

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  与当下主流的FinFET工艺相比,GAA技术重新设计了晶体管底层结构,增强了栅极控制,因此性能大大提升,体积也更小,速度也更快。

  与当前主流的 7nm 芯片相比,在同样的电力消耗下,IBM 2nm芯片的性能预计提升45%,输出相同情况下能耗降低75%。

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  往更深入看,IBM 2nm芯片的晶体管密度为每平方毫米3.33亿个晶体管(MTr/mm)。

  作为对比,当下最先进的台积电5nmFinFET工艺每平方毫米约有1.73亿个晶体管,2nm芯片足足多了两倍,而三星的5nm芯片每平方毫米仅为1.27亿个晶体管。

  换个角度来看,IBM 2nm芯片在指甲盖大小面积(约150平方毫米)内,容纳了500亿颗晶体管。

  IBM声称,2nm技术将带来多项提升:

  

手机电池寿命将大幅提升; 减少数据中心的碳足迹; 大大加强笔记本电脑性能; 有助于加快自动驾驶汽车等自主车辆的物体检测和反应时间; 另外,这项技术将使太空探索、人工智能、5G、量子计算等领域受益。

  值得一提的是,这里的2nm并不是物理上的2nm,而是等效节点"Equivalent Nodes",是表示从5nm,3nm工艺演进而来的下一代工艺的"代号"。

  这次2nm工艺只是实验室技术,离真正实现2nm芯片量产还有相当远的距离,但这一消息依然称得上业界的重磅炸弹。

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  此外IBM也是率先造出7nm(2015年)和5nm(2017年)芯片的厂商,在电压等指标的定义上很早就拿下主导权。

  尽管如今的芯片市场的风头已经被台积电、三星、英特尔、AMD等"后起之秀"占据,但蓝色巨人IBM依然默默做着贡献。

  依然强悍的芯片巨头

  由于自身业务调整以及半导体制造业务大额亏损,IBM在2014年将旗下芯片制造业务转让给半导体代工厂商GlobalFoundries(格芯),但IBM在半导体先进制程方面的研究却一直没有停止,依然在纽约奥尔巴尼市保留了一家芯片制造研发中心。

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  在出售代工业务的同年,IBM耗资30亿美元的项目着手进行了一项雄心勃勃的计划——" 7nm and Beyond "。

  该计划一方向在于开发可以经济地制造7nm及其以下制程的工艺,另一方面寻找可以新材料以支持先进制程的继续发展。

  事实证明,这个计划中脱胎的很多成果都推动了7nm、5nm发展,这种影响力已经延续到3nm节点。

  在IBM宣布"7nm and Beyond"计划后一年,IBM与GlobalFoundries、三星等合作伙伴,共同推出了其首款7nm测试芯片。

  时隔两年,IBM与他的盟友再次首发业界第一个全新的5nm硅纳米片(nanosheet)晶体管,为实现5nm工艺铺平了道路。

  尽管两次芯片都是实验室测试芯片,距离真正量产还有相当大的距离,但IBM在攻克制程中使用极紫外线光刻技术(EUV)进行线的前端图形绘制的技术,极大推进了后来EUV的商业化落地。在这之后,三星和台积电纷纷宣布在7nm阶段导入EUV技术。

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  同时,IBM坚信,Nanosheet(纳米片)将成为FinFET芯片架构的替代品,在采用新纳米片架构的方面上,三星一直是将IBM技术从实验室带到市场的忠实守护者。

  基于当初IBM与三星之间在GAA上的合作研究,三星又重新设计了现有的GAA,使其成为多桥沟道FET(MBCFET),再后来这也成为三星与台积电在3nm节点处进行较量的一大利器。

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  很显然,在台积电3nm FINEET工艺受挫的背景下,GAA技术注定将成为半导体产业继续向前发展的关键。只不过GAA的制造难度显然是极高的。

  但IBM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,这也将给晶圆巨头们在制程突破上带来了新思路。

  结语

  在全球半导体发展的过程当中,IBM一直在其中充当着重要的角色。在二十世纪六十到九十年代间推出了,IBM接连推出了多种技术,深刻地影响了半导体产业的发展。

  时至今日,虽然IBM已经放弃了半导体制造业务,但其所授予众多晶圆代工厂的专利技术,却极大地推动了先进制程的发展,这也使得他成为了先进制程升级过程中的重要一员。

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  伴随着先进工艺玩家的减少,5nm节点处的竞争也愈演愈烈,IBM的" 7nm and Beyond "计划的研究成果,将成为晶圆代工厂在竞争中取得优势的一大帮手。

  目前各家的争夺点依然在3nm制程的芯片,不仅需要晶圆代工厂在工艺上的突破,想实现真正量产,还需要高通等上游设计公司、和ASML等中游设备厂商的努力。

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