IBM发布全球首个2nm芯片制造技术,“蓝色巨人”是如何做到的?

林志佳

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· 5月7日

IBM称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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IBM发布全球首个2nm芯片制造技术,“蓝色巨人”是如何做到的?

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(图片来源:IBM官网)

(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纳米硅芯(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。

需要澄清的是,虽然该工艺节点被称为 "2纳米",但这个2nm跟传统谈论的线宽不一样,在过去,这个尺寸曾经是芯片上二维特征尺寸的等效度量,如90纳米、65纳米和40纳米。然而,随着FinFET和其他3D晶体管设计的出现,现在这个工艺节点名称是对 "等效2D晶体管 "设计的解释。

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。

(本文首发钛媒体App,作者|林志佳)

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    利害了

    2021-05-07 16:30 via android
  • 钛aUgH90 钛aUgH90   回复  晓帅
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      2021-05-07 23:14 via android
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  • 晓帅 晓帅
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