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再次突破半導(dǎo)體極限 IBM搶先首次推出2nm工藝芯片

來(lái)源： 鎂客網(wǎng)   日期：2021-05-07  責(zé)編： 殷緒江  
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   就在臺(tái)積電和三星角逐3nm的白熱化階段，藍(lán)色巨人IBM再一次走在了前列。據(jù)報(bào)道，曾擔(dān)任IBM半導(dǎo)體技術(shù)和研究副總裁穆列什·哈雷（MukeshKhare）帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)完成了2nm工藝技術(shù)的突破，IBM也宣布造出全球第一顆2nm工藝的半導(dǎo)體芯片。雖然IBM不直接參與晶圓代工廠之間的競(jìng)爭(zhēng)，但它推出的技術(shù)和相關(guān)研究卻對(duì)先進(jìn)制程的升級(jí)有著極大的幫助。
2nm芯片，IBM打造
   據(jù)了解，這次2nm工藝采用三層GAA（環(huán)繞柵極晶體管）技術(shù)。沒(méi)錯(cuò)，這正是三星主攻3nm工藝采用的技術(shù)。在今年2月的IEEE國(guó)際固態(tài)電路大會(huì)（ISSCC）上，三星搶在臺(tái)積電之前展示了第一款采用3nm工藝的256GB容量SRAM存儲(chǔ)芯片，讓行業(yè)第一次窺見(jiàn)GAA架構(gòu)的廬山真面目。
   此外，IBM使用兩項(xiàng)獨(dú)特的工藝：底部電介質(zhì)隔離（bottom dielectric isolation）以及內(nèi)層空間干燥處理（inner space dry process），這正是IBM掌握的2nm芯片制造技術(shù)的核心。與當(dāng)下主流的FinFET工藝相比，GAA技術(shù)重新設(shè)計(jì)了晶體管底層結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了柵極控制，因此性能大大提升，體積也更小，速度也更快。與當(dāng)前主流的 7nm 芯片相比，在同樣的電力消耗下，IBM 2nm芯片的性能預(yù)計(jì)提升45%，輸出相同情況下能耗降低75%。
   往更深入看，IBM 2nm芯片的晶體管密度為每平方毫米3.33億個(gè)晶體管(MTr/mm)。作為對(duì)比，當(dāng)下最先進(jìn)的臺(tái)積電5nmFinFET工藝每平方毫米約有1.73億個(gè)晶體管，2nm芯片足足多了兩倍，而三星的5nm芯片每平方毫米僅為1.27億個(gè)晶體管。換個(gè)角度來(lái)看，IBM 2nm芯片在指甲蓋大小面積（約150平方毫米）內(nèi)，容納了500億顆晶體管。另外，這項(xiàng)技術(shù)將使太空探索、人工智能、5G、量子計(jì)算等領(lǐng)域受益。值得一提的是，這里的2nm并不是物理上的2nm，而是等效節(jié)點(diǎn)“Equivalent Nodes”，是表示從5nm，3nm工藝演進(jìn)而來(lái)的下一代工藝的“代號(hào)”。這次2nm工藝只是實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，離真正實(shí)現(xiàn)2nm芯片量產(chǎn)還有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，但這一消息依然稱(chēng)得上業(yè)界的重磅炸彈。
   此外IBM也是率先造出7nm（2015年）和5nm（2017年）芯片的廠商，在電壓等指標(biāo)的定義上很早就拿下主導(dǎo)權(quán)。盡管如今的芯片市場(chǎng)的風(fēng)頭已經(jīng)被臺(tái)積電、三星、英特爾、AMD等“后起之秀”占據(jù)，但藍(lán)色巨人IBM依然默默做著貢獻(xiàn)。
依然強(qiáng)悍的芯片巨頭
   由于自身業(yè)務(wù)調(diào)整以及半導(dǎo)體制造業(yè)務(wù)大額虧損，IBM在2014年將旗下芯片制造業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)讓給半導(dǎo)體代工廠商GlobalFoundries（格芯），但I(xiàn)BM在半導(dǎo)體先進(jìn)制程方面的研究卻一直沒(méi)有停止，依然在紐約奧爾巴尼市保留了一家芯片制造研發(fā)中心。
   在出售代工業(yè)務(wù)的同年，IBM耗資30億美元的項(xiàng)目著手進(jìn)行了一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃——“ 7nm and Beyond ”。該計(jì)劃一方向在于開(kāi)發(fā)可以經(jīng)濟(jì)地制造7nm及其以下制程的工藝，另一方面尋找可以新材料以支持先進(jìn)制程的繼續(xù)發(fā)展。事實(shí)證明，這個(gè)計(jì)劃中脫胎的很多成果都推動(dòng)了7nm、5nm發(fā)展，這種影響力已經(jīng)延續(xù)到3nm節(jié)點(diǎn)。
   在IBM宣布“7nm and Beyond”計(jì)劃后一年，IBM與GlobalFoundries、三星等合作伙伴，共同推出了其首款7nm測(cè)試芯片。時(shí)隔兩年，IBM與他的盟友再次首發(fā)業(yè)界第一個(gè)全新的5nm硅納米片（nanosheet）晶體管，為實(shí)現(xiàn)5nm工藝鋪平了道路。盡管兩次芯片都是實(shí)驗(yàn)室測(cè)試芯片，距離真正量產(chǎn)還有相當(dāng)大的距離，但I(xiàn)BM在攻克制程中使用極紫外線(xiàn)光刻技術(shù)（EUV）進(jìn)行線(xiàn)的前端圖形繪制的技術(shù)，極大推進(jìn)了后來(lái)EUV的商業(yè)化落地。在這之后，三星和臺(tái)積電紛紛宣布在7nm階段導(dǎo)入EUV技術(shù)。
   同時(shí)，IBM堅(jiān)信，Nanosheet（納米片）將成為FinFET芯片架構(gòu)的替代品，在采用新納米片架構(gòu)的方面上，三星一直是將IBM技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室?guī)У绞袌?chǎng)的忠實(shí)守護(hù)者?；诋?dāng)初IBM與三星之間在GAA上的合作研究，三星又重新設(shè)計(jì)了現(xiàn)有的GAA，使其成為多橋溝道FET（MBCFET），再后來(lái)這也成為三星與臺(tái)積電在3nm節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行較量的一大利器。
   很顯然，在臺(tái)積電3nm FINEET工藝受挫的背景下，GAA技術(shù)注定將成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)繼續(xù)向前發(fā)展的關(guān)鍵。只不過(guò)GAA的制造難度顯然是極高的。但I(xiàn)BM已經(jīng)弄清楚了如何使用單次曝光 EUV 來(lái)減少用于蝕刻芯片的光學(xué)掩模的數(shù)量，這也將給晶圓巨頭們?cè)谥瞥掏黄粕蠋?lái)了新思路。





 

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