IBM发布全球首个2nm芯片制造技术，“蓝色巨人”是如何做到的？

（图片来源：IBM官网）

蓝色巨人终于开始发力。

5月7日消息，IBM公司周四宣布，其在芯片制程工艺上取得重大突破，声称已打造出全球首个2nm芯片制造技术，为半导体研发再创新的里程碑。

IBM在新闻稿中称，在运行速度方面，与当前许多笔记本电脑和手机中使用的主流7nm芯片相比，IBM的这颗2nm芯片计算速度要快45%，能源效率也高出75%，电池寿命最高可提升4倍，这代表用户每4天仅需为设备充电1次。

另外，相较于当前最先进的5nm芯片（目前仅有苹果iPhone 12等旗舰智能手机才有使用），这颗2nm芯片的体积将更小、速度也更快，未来有助于提升网络连接和数据处理速度，并提升自动驾驶汽车检测物体的反应时间。

IBM研究院高级副总裁兼院长Darío Gil表示，这款新型2nm芯片体现出的IBM创新对整个半导体和IT行业至关重要，且有助于大幅减少数据中心的碳排放量。

市场调研机构IDC研究主管Peter Rudden在接受外媒采访时表示，这一成果可以看作是一项突破。IBM的这颗2nm芯片可用于AI技术新应用，电源效率的提升也将会对个人设备有用，而提高的性能将使IBM庞大的数据中心受益。

“这也向IT行业传达了一个信息，即IBM将继续成为硬件研究的强势地位。”他补充称。

不过，外界有疑问的是，为什么全球首个2nm芯片诞生于IBM公司？

自研2nm晶体管技术，惠及产业下游芯片制造代工厂

IBM曾是一家主要的芯片制造商，现已将起大量芯片生产外包给三星电子。但IBM在美国纽约纽约州奥尔巴尼（Albany）仍保留着一个芯片制造研究中心。该中心负责芯片研究，并与三星和英特尔签署了联合技术开发协议，以使用IBM的芯片制造技术进行生产。

2014年，IBM将旗下Microelectronics半导体部门出售给世界第三大专业晶圆代工厂GlobalFoundries（格芯）时，IBM就已经宣告退出芯片代工业务。芯片生产部分最后仍会交给三星电子、格芯、英特尔、台积电等产业链下游企业。

Seeking Alpha认为，IBM推出全球首款2nm芯片，这可能使英特尔和三星代工厂受益。

据The Verge，台积电和三星目前正在生产5nm芯片。英特尔仍在努力使其7纳米节点脱颖而出。台积电正计划在年底前开始其4nm芯片工艺的早期生产，并于2022年实现批量生产。它的3nm节点预计要到2022年下半年，而2nm芯片仍处于相对较早的开发阶段。这意味着，目前产业链下游芯片代工厂无法生产2nm芯片。

所以，IBM只负责芯片IC技术研究、设计部分，这颗全球首个2nm芯片目前依然是在概念(PPT)阶段，用于研发用途，距离最后量产依然有很长的路要走。

根据nextplatform报道，目前担任IBM混合云研究副总裁的Mukesh Khare带领其完成了2nm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IBM 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，之后他对对用于Power7的32纳米技术进行了研究。Khare曾担任奥尔巴尼纳米技术中心的半导体研究总监。

具体来说，IBM今天展示的这项技术，更多是芯片制造中最基础部分——晶体管的改进。

晶体管（transistor）是一种类似于阀门的固体半导体器件，可以用于放大、开关、稳压、信号调制和许多其他功能。

首先，在这个芯片上，IBM用上了一个被称为3D纳米片堆叠的晶体管技术（nanosheet stacked transistor），它将NMOS晶体管堆叠在PMOS晶体管的顶部，而不是正常晶体管那样并排放置，利用类似电子开关形成二进制数字1和0的变化。后者尽管有更快、更省电的作用，但其最大的缺点是电子泄漏，而IBM的2nm芯片已经克服了这个问题。

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。（注：这里没有测量的特征实际上是在2纳米处），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。

据新浪科技引述Darío Gil的话称：“归根结底还是晶体管，计算领域的其他一切都取决于晶体管是否变得更好。但不能保证晶体管会一代又一代地向前发展，因此，每当有更先进的晶体管出现时，这都是件大事。”

这颗2nm芯片还包括首次使用所谓的底部电介质隔离（bottom dielectric isolation）技术、内部空间干燥工艺（inner space dry process）技术、2nm EUV技术等，从而改善原有晶体管技术存在的一些问题。

nextplatform指出，这样的改善带来的最终结果是，制造2nm芯片所需的步骤要比7nm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。

据芯片行业网络媒体AnandTech报道指，IBM的新型2nm芯片每平方毫米（MTr/mm2）具有约3.33亿个晶体管。相比之下，台积电最先进的芯片采用其5nm工艺制造，每平方毫米（MTr/mm2）约有1.73亿个晶体管，而三星的5nm芯片则约为127 MTr/mm2。

尽管这一切听起来不错，但要记住，IBM的这颗2nm芯片仍在概念阶段的证明，而建立在2nm技术节点上的处理器仍可能需要数年的时间。

对于更多有关这颗2nm芯片的技术细节，IBM目前暂未对外透露。

距离量产还有数年时间

有业内人士指出，IBM的这颗2nm芯片的最后去向，很可能是该公司的云服务器当中，从而提升该数据中心的计算能力。

IBM表示，凭借IBM研究院在7 nm技术方面取得的进展，该公司研发的第一款商业化芯片产品将于今年晚些时候在基于Powe10的IBM Power Systems中首次亮相。

事实上，IBM早就将芯片制造部分交出去了，其更多拥有的是无晶圆业务部门，只负责上游芯片设计、研究之类的，所以突然发布了新的芯片技术，外界疑问大过肯定。

anandtech指，IBM是全球领先的未来半导体技术研究中心之一，尽管没有自己的芯片代工产品，但IBM与其他制造商合作为自己的制造设施开发IP，这是其一直保留芯片研发部门的原因之一。

需要指出的是，IBM在数据中心方面一直投入了大量资金与精力，并取得了一些效果。根据IDC统计显示，2020年第三季度，IBM和浪潮合作的浪潮商用机器以9.4％的市场份额排名第三。

所以，2nm芯片的算力提升对于IBM来说至关重要，也是其在行业提升的重要助力。

今年4月，IBM发布2021财年第一季度财报。报告显示，IBM第一季度营收为177.30亿美元，比去年同期的175.71亿美元增长1%；净利润为9.55亿美元，同比下降19%。但该公司云及认知软件部门，营收同比增长4%。

IBM表示，距离将上述技术投入量产还需花费数年时间，接下来，该公司计划继续研究与开发用于消费电子产品的2nm芯片技术。

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