全球 .2nm芯片问世！台积电霸主地位不保？

芯师爷|Core master|

2022-03-07 03:28:13 10

半导体历史上出现新里程碑：IBM于纽约时间5月6日在其官网宣布制造出 .上 .颗2nm芯片，揭开了半导体设计和工艺方面的突破。IBM预计与当今最新一代的AMD最新一代CPU和GPU所采用的最先进的7nm芯片相比，2nm芯片将实现提高45％的性能或降低75％的功耗。

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IBM Research

图源：IBM官网

据了解，该芯片的制造者为IBM奥尔巴尼研究室（IBM Research Albany）。IBM曾是一家主要的芯片制造商，现已将其大量芯片生产外包给三星电子，但其在纽约州奥尔巴尼仍保留着一个芯片制造研究中心，IBM科学家在该实验室与公共和私营部门合作伙伴密切合作，负责对芯片进行试运行。

据路透社此前报道，该实验室与三星和英特尔签署了联合技术开发协议，商定合作使用IBM的芯片制造技术。本次宣告制造完成的2nm芯片就是该实验室的最新研究成果。

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IBM 2nm芯片有何价值？

业界对IBM制造出2nm芯片表现出极大兴趣，很大程度在于2nm芯片意味着芯片性能的极大提升。

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IBM Research 2 nm芯片

图源：IBM官网

据 IBM 的说法，这些先进的2 nm芯片的潜在优势可能包括：

1）大幅提高芯片性能；其 2nm 架构实现现有的 7nm 相同的性能下，仅使用现在25% 的电力，手机电池寿命增加三倍，仅要求用户每四天为设备充电一次。

2）降低碳排放：数据中心占全球能源使用量的百分之一，将其所有服务器更改为基于2 nm的处理器可能会大大削减数据中心的碳足迹。

3）提升笔记本访问速度：从更快地处理应用程序到更轻松地协助语言翻译以及更快地访问互联网，极大地加快了笔记本电脑的功能。

4）促进新应用落地：有助于自动驾驶汽车（例如自动驾驶汽车）中更快的物体检测和反应时间。

总的来说，2nm芯片价值在于提升现有的电子设备性能并能加速下一代芯片应用落地。

值得注意的是，IBM展示的这项创新技术，背后是芯片架构的创新。晶体管是芯片最基本的组成部分，它的作用就像一个电子开关，把“开关”做得越小，尽量克服因开关变小给电流的控制能力带来影响，就能让数据传输更快、更低功耗。

据AnandTech的专栏作家Ian Cutress指出，IBM并未说明其2nm芯片采用的具体工艺，但根据其官网公布的相关制造工艺图片和视频可推测应为三栈全栅极工艺（three-stack GAA），其架构是业界首创。

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2 nm纳米片设备

图源：IBM官网

IBM的三栈GAA工艺使用的单元高度为75 nm，单元宽度为40 nm，单个纳米片的高度为5 nm，纳米片间距为5 nm。栅极多晶硅间距为44nm，栅极长度为12nm。IBM表示，其设计是 .个使用底部介电隔离通道的设计，该通道可实现12 nm的栅极长度，并且其内部间隔物是第二代干法工艺设计，有助于实现纳米片的开发。

IBM称，三栈全栅极工艺的突破性创新使2 nm芯片能够在指甲盖大小的芯片上容纳多达500亿个晶体管。据媒体进一步求证，IBM称指甲盖面积为150平方毫米即每平方毫米可容纳3.33亿个晶体管（MTr / mm 2）。

IBM这一创新或意味着先进制程芯片的架构从FinFET转向GAA工艺的趋势。目前，晶圆代工龙头台积电在5nm和3nm节点均采用鳍式场效应晶体管（FinFET）结构，三星正研制3nm的GAA工艺，此前也有媒体报道称，台积电2nm工艺将采用以GAA工艺为基础的MBCFET架构。

IBM研究室主任达里奥·吉尔（Darío Gil）称：“计算领域的进步归根结底是晶体管性能变得更好。但技术发展到现阶段已经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技术出现时，这都是件大事。”

是否动摇台积电晶圆代工霸主地位？

有台媒体提出担忧：IBM率先宣告2nm芯片研制成功，这会否影响台积电的晶圆代工霸主地位呢？

据台湾专家杨瑞临表示，IBM的2nm芯片的成功试产验证了GAA新结构的可行性，将可加速GAA量产，是半导体业的大事。这可能增加台积电的竞争压力，不过晶圆代工霸主的地位应该不会动摇。

据悉，3D封装时代，芯片尺寸并非评判性能强弱的 .标准。目前因为芯片由2D平面转向3D发展，过去比较零组件最小尺寸的意义已失去，所谓几nm更多只是一种“换代”的概念，以台积电的7nm芯片和英特尔的7nm芯片相比，英特尔单芯片上的晶体管就远超台积电。若比较芯片性能，比较有意义的比较基准或许是单位面积的晶体管密度。

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IBM、台积电、英特尔、三星各制程节点晶体管密度对比

图源：AnandTech

IBM的2nm制程官宣是在150平方毫米的面积中容纳500亿个晶体管，平均每平方毫米密度是3.3亿个，台积电目前宣布的3nm制程平均每平方毫米是2.9亿个，稍落后于IBM。但Ian Cutress指出，这些密度值通常列为峰值密度，在实际应用中，发挥作用的晶体管密度会受到功耗和散热影响，处理器发挥最高性能时晶体管工作的数量通常只有峰值密度的一半。言下之意是，台积电的3nm工艺和IBM的2nm工艺性能差别或许并没有想象中那么大。

另一方面，在芯片制造领域，率先宣告技术试产成功固然有其技术 .之处，但成功量产达到商用才是技术成熟的标志。

IBM并非 .宣布已经掌握最先进制程工艺：2015年IBM宣布试制7nm制程芯片成功，但一直到2020年8月才有 .个商用化产品Power10芯片出现。同期台积电已经成功量产5nm芯片，是当之无愧的最先进晶圆代工技术掌握者。

且IBM早在2014年退出代工业务，将其IBM Microelectronics部门出售给格芯，按照IBM奥尔巴尼研究室签订的合作协议，其2nm芯片代工业务或将委托给三星、格芯、英特尔等合作企业。

从当前来看，格芯在先进制程工艺上还稍为落后，Intel的7nm制程芯片预计2023年投产，三星目前的技术规划仅到3nm，2nm暂时未见披露。此前IBM半导体研发核心人员Mukesh Khare也预计，更新一代的Power11应该在2023年左右出现，采用成熟的5nm工艺。采用IBM 2nm技术量产芯片计划似乎还没有真正提上日程。

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图源：科技新报

而台积电方面，按照此前媒体公布的进度，台积电的4nm与3nm芯片预计2022年量产，2nm芯片也已经取得了关键性的突破，试产进度紧跟IBM，有望在2023年下半年进行风险性试验，2024年进入量产阶段。

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图源：中国台湾经济日报

从技术演进来看，台积电2nm技术试产略落后于IBM，但量产计划更为提前。

综上，整体来看，在先进制程技术上的研究，台积电并没有大幅落后于率先实现2nm芯片试产IBM，IBM本次技术更新固然显示了其作为全球 .的半导体技术研究中心之一的实力，但台积电晶圆代工龙头的实力也是不容小觑。

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