IBM发布首个2纳米芯片，每平方毫米容纳是3.3亿个晶体管

shuszhao

数十年来，每一代芯片的速度越来越快且更加省电，因为其最基本元素——晶体管变得越来越小，这令芯片单位面积克容纳的晶体管数目越来越多。晶体管的作用就像一个电子开关，在所有现代计算的基础上形成二进制数字1和0。把“开关”做得非常小，会让它们更快、更省电，但这也会导致一些问题，如电子泄漏。
相关制造工艺的提升可以改善这一状况，虽然工艺升级速度已经放缓，但本周四（5月6日）国际商业机器(IBM)表示，半导体工艺至少还可以向前推进一代。


世界首个2nm芯片，采用GAA工艺

IBM发布了业界首个2纳米芯片制造工艺，他们号称在 150mm² 的面积中（约指甲盖大小）塞入了 500 亿个晶体管，平均每平方毫米是 3.3 亿个。作为比较，台积电和三星的 7纳米工艺大约在每平方毫米 9,000 万个晶体管左右，三星的 5LPE 为 1.3 亿个晶体管，而台积电的 5纳米则是 1.7 亿个晶体管。

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2纳米晶圆近照

据IBM介绍，他们的2纳米工艺采用三层GAA（环绕栅极晶体管）技术，这是第一次使用底介电隔离通道，它可以实现12纳米的栅长，其内部间隔是第二代干法设计，有助于纳米片的开发。这也是第一次使用EUV曝光FEOL部分过程。

                               
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IBM研究室主任达里奥·吉尔（Darío Gil）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。”

                               
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比7nm快45%，能效高75%

IBM表示，采用2纳米工艺制造的处理器，可以比现在许多笔记本电脑及手机所使用的主流7纳米处理器速度提升45%，能效提高75%。也就是说，其2纳米架构可以在与现有的 7纳米相同的性能下，只使用 25% 的电力，以现代智能手机为例，可能四天才需要充一次电。而在笔记本电脑、自动驾驶等队能耗不敏感的使用场景下，则能带来更高的算力。其他使用场景包括数据中心、太空探索、人工智能、5G、6G 乃至于量子计算。

                               
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（图自：AnandTech）

不过，芯片制造工艺从研发到投入市场可能需要花上数年时间，IBM的2纳米制造工艺离真正量产还有一段距离。就像2015年时，IBM 曾宣佈其 7纳米工艺试产成功，但一直到2020年8月才推出第一个商用产品；2017年他们也率先发布了5纳米芯片，但量产一直没有下文。所以2纳米对于 IBM 来说，宣传推广的意义更大。
IBM曾经是主要的芯片制造商之一，但在2014年将其制造工厂卖给了格芯（Globalfoundries），如今已经把量产芯片工作委托给了三星电子。不过，IBM与格芯签署了10年合作协议，仍保有纽约州奥尔巴尼（Albany）的芯片制造研发中心进行芯片试产，另一方面IBM也与三星、英特尔签订联合技术开发协议，两家公司可以使用IBM的芯片制造技术。
比起当前最尖端的5纳米芯片，2纳米芯片的体积会更小、速度也会更快。目前台积电5纳米工艺只用在苹果M1、A14处理器和华为海思麒麟9000等高端芯片上，三星的 5LPE也只用在骁龙 888 芯片上。
5纳米之后的下一个技术节点为4纳米或3纳米，台积电和三星都预计明年开始量产。英特尔这边的 7纳米要等到 2023 年才投产，还是慢了一步了，不过英特尔的工艺技术定义上，对晶体管密度要求更高，因此他们的7纳米性能约介于台积电的 5纳米与4纳米之间。
关于IBM这次采用的GAA晶体管技术，三星3纳米、英特尔5纳米以及台积电2纳米均将首次采用。
不过前些年炒得火热的“几纳米”，已因为芯片由 2D 平面向着3D结构的发展，而失去了原有的意义。以前工艺数字越小，可能代表着零组件的尺寸可以做到越小，而现在的5纳米、3纳米更多只是一种“换代”概念。

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每一代芯片的速度越来越快且更加省电