IBM发布全球首个2nm芯片，共容纳了500亿个晶体管

有无数的人认为摩尔定律要死了，芯片产业要遇到瓶颈了，没想到，它不声不响已经来到了2nm。

从10微米到2纳米，晶体管数量从几千个到几亿个，半导体技术的发展，全都浓缩在了这块小小的芯片上。

从3nm走向2nm

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世界上第一颗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。

该芯片的制造者为IBM奥尔巴尼研究室（IBM Research Albany），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。

目前担任IBM混合云研究副总裁的MukeshKhare带领其完成了2纳米技术的突破。

在这个芯片上，IBM用上了一个被称为纳米片堆叠的晶体管，它将NMOS晶体管堆叠在PMOS晶体管的顶部，而不是让它们并排放置以获取电压信号并将位从1翻转为零或从0翻转为1。

这些晶体管有时也称为gateallaround或GAA晶体管，这是当前在各大晶圆厂被广泛采用的3D晶体管技术FinFET的接班人。

FinFET晶体管将晶体管的源极和漏极通道拉入栅极，而纳米片将多个源极和漏极通道嵌入单个栅极以提高密度。

IBM采用2纳米工艺制造的测试芯片，每平方毫米面积上的晶体管数量平均下来是3.3亿个，在指甲大小的芯片中，一共容纳了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。（注意，这里没有测量的特征实际上是在2纳米处。

2纳米芯片的制造还包括首次使用所谓的底部电介质隔离，它可以减少电流泄漏，因此有助于减少芯片上的功耗。

重要的是，IBM这个芯片上的所有关键功能都将使用EUV光刻技术进行蚀刻，IBM也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。

这样的改善带来的最终结果是，制造2纳米芯片所需的步骤要比7纳米芯片少得多，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。

与当前将使用在Power10芯片的7纳米制程相比，这种2纳米制程有望将速度提高45％或以相同速度运行，将功耗降低75％。

GAA才是这一事件的核心

2nm芯片相对于产业界来说，却仍然是个短时间内无法企及的美好梦想。

这次IBM在2nm制程的芯片上用了一种叫GAA（Gate All Around）环绕式栅极的技术。

相比之下，该芯片对GAA工艺的应用实践，反而更具意义。

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。

这项技术最早是由三星先采用的，分为纳米线和纳米片结构，好处是能解决原先5nm工艺中遇到的漏电情况。

简单来说，这项技术让晶体管之间的密度更高，空间优化处理的更好，从而带来更强的算力。

与GAA相对应的是FinFET（鳍式场效应晶体管），FinFET是芯片从22nm逐步进军7nm、5nm的关键工艺。

本质上，IBM的2nm并没有突破物理极限，而是采用了新的GAA架构，虽然可以通过增大晶体管节点的密度，来提升芯片的性能，但是这种解决方案也不是万能的，缺点也很明显。

如果找不到新的突破口的话，最坏的结果就是整个芯片行业可能会停滞不前。

如果按照这个思路继续往下推导的话，IBM的2nm可能没有想象中的那么好，往往理论并不能代表实际表现。

2nm芯片的潜在优势

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。

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2nm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。

IBM背后的受制于人

就目前来看，IBM的2nm芯片还处于实验室阶段，距离量产商用还很遥远。

即便解决了晶圆良率问题，IBM现在也没有大规模实现量产芯片的能力，反倒是有可能将这项制程工艺交给像台积电、三星这样的芯片制作商进行代工。

因为IBM在2014年将自己的晶圆厂卖给了格罗方德，所以，现在的IBM可以说是“力不从心”。

虽然IBM公司成为了首个制造出2nm制程芯片的公司，但是这并不意味着IBM就在半导体领域上超越了台积电和三星。

因为从实验室到量产，其中要走过的道路是非常漫长且艰难的，实际上我国在实验室环境下也能制造出先进制程的芯片，但因为无法做到量产，所以才会受制于人。

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阶段，用于研发用途，距离最后量产依然有很长的路要走。

随着工艺的发展，有能力制造先进节点芯片的公司数量在不断减少。

尽管GAA可以带来性能和功耗的降低，但是成本非常高。28nm工艺的成本为0.629亿美元，5nm将暴增至4.76亿美元。三星也表示自己的3nmGAA成本可能会超过5亿美元。

IBM虽然有更先进的制造技术，但是在合同上已经签订好允许三星等芯片制造商运用IBM的技术来制造芯片。

也就是说三星等芯片制造商是完全可以使用IBM的2nm工艺设计的芯片技术来量产芯片。

中国芯片急需加速

自从华为的芯片制造遭到美国的技术封锁后，中国在芯片制造领域的布局开始站上舞台中央。

根据我国下一个五年计划规定，国产芯片自主率力争达到75%，并且芯片制造技术要取得重要突破，也就是在2025年之前，以上目标均要得到兑现。

目前，我国已经实现28nm的芯片自主制造，并且芯片设计已经突破3nm，更关键的是，中芯国际也即将借助向ASML购买的光刻机进行7nm芯片生产。

另外，台积电将计划在南京建厂，虽然这在很多人觉得这将会对中芯国际的发展造成影响，但是，台积电赴大陆设厂，同时也会带来生产技术，这是一个契机，同时也是一种机遇。

结尾：

2nm光是性能的噱头，厂商们不超频拉个性能，那肯定是说不过去的，目前没有一家手机公司，会因为追求续航而放弃硬件性能。

总的来说，IBM这次的2nm芯片，秀肌肉的意义会大一些，对于他们来说，确保量子计算机的开发才是重中之重。

所以面对具有完善体系的三星与台积电等芯片制造商，IBM不具备优势，就算加大力度建造制造芯片的工厂，那么想追赶三星与台积电也是很难追上的，所以IBM的芯片并不会改变世界芯片的格局。

部分资料参考：半导体行业观察：《IBM发布全球首个2nm芯片，背后技术全揭秘》，芯师爷：《全球首个2nm芯片问世！台积电霸主地位不保？》，陈述根本：《IBM首发2nm芯片技术，为芯片市场再注生力》，钛媒体：《IBM发布全球首个2nm芯片制造技术，“蓝色巨人”是如何做到的？》雷锋网：《IBM的2nm芯片制程，是噱头还是来真的？》

部分图片来源：半导体行业观察、中国台湾经济日报、IBM官网