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再次突破半导体极限 IBM抢先首次推出2nm工艺芯片

来源： 镁客网   日期：2021-05-07  责编： 殷绪江  
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   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。
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。
   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。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%。
   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。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。
   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。
   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。
   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。
   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。





 
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