指甲蓋大小塞了500億晶體管！IBM打造世界首款2納米芯片
2021-05-07 12:52:16 EETOP但這幾年來，盡管IBM退出了代工業務，不過好像IBM在半導體先進工藝研發上一直沒有放棄，時不時會傳出IBM推出領先世界一兩代的最先進的技術。
據IBM官網5月6日消息，IBM宣稱自己打造了世界首個2納米的芯片，大幅推進了當前芯片生產技術的前沿，在半導體設計及制程上取得突破。
在IBM Research的Albany工廠制造的2 nm晶圓的特寫，肉眼可見單個芯片
使用透射電子顯微鏡觀察到的2nm芯片,2nm小于人類DNA單鏈的寬度
IBM官網發布的2納米芯片宣傳片：
性能獲飛躍進展
在這里IBM的2nm制程號稱在150mm²（指甲蓋大?。┑拿娣e中塞入了500億個晶體管，平均每平方毫米為3.3億個。做為對比，臺積電和三星的7nm制程大約在每平方毫米是9,000萬個晶體管左右，三星的5LPE為1.3億個晶體管，而臺積電的5nm則是1.7億個晶體管。
據IBM 的說法，其2nm 架構可以在與現有的7nm 相同的性能下，僅是7納米的1/4的功耗，也就是說放到現代手機中的話，可能四天才需要充一次電。又或者，它也能在與現有的7nm 相同的能耗下，增加45%的性能，在筆電、自駕車等較不在意功耗的場景下，可能帶來更高的運算力。其他包括資料中心、太空探索、人工智能、5G、6G，乃至于量子運算都可能在受惠之列。
2納米的研發路線及技術細節
據悉，目前擔任IBM混合云研究副總裁的Mukesh Khare帶領其完成了2納米技術的突破。
資料顯示，Khare在1999年到2003年間，從事90納米SOI工藝的開發，該工藝將Power4和Power4+推向市場，他隨后又負責了65納米和45納米SOI的推進，這些技術被Power5和Power6采用；之后他對對用于Power7的32納米技術進行了研究，然后研究了在Power8上使用的22納米工藝中使用的高k /金屬柵極技術。然后Khare繼續擔任奧爾巴尼納米技術中心的半導體研究總監，
如下圖所示，這是IBM掌握的2納米芯片制造技術的要點。里面有很多東西，讓我們把它拆開一點。
首先，在這個芯片上，IBM用上了一個被稱為納米片堆疊的晶體管，它將NMOS晶體管堆疊在PMOS晶體管的頂部，而不是讓它們并排放置以獲取電壓信號并將位從1翻轉為零或從0翻轉為1。這些晶體管有時也稱為gate all around或GAA晶體管，這是當前在各大晶圓廠被廣泛采用的3D晶體管技術FinFET的接班人。從以往的介紹我們可以看到，FinFET晶體管將晶體管的源極和漏極通道拉入柵極，而納米片將多個源極和漏極通道嵌入單個柵極以提高密度。
IBM表示，其采用2納米工藝制造的測試芯片可以在一塊指甲大小的芯片中容納500億個晶體管。
在IBM的這個實現方案下，納米片有三層，每片的寬度為40納米，高度為5納米。如果您在上表的右側看，那是一張納米片的側視圖，顯示出它的側視圖，其間距為44納米，柵極長度為12納米，Khare認為這是其他大多數晶圓代工廠在2納米工藝所使用的尺寸。
2納米芯片的制造還包括首次使用所謂的底部電介質隔離（bottom dielectric isolation），它可以減少電流泄漏，因此有助于減少芯片上的功耗。在上圖中，那是淺灰色的條，位于中部橫截面中的三個堆疊的晶體管板的下面。
IBM為2納米工藝創建的另一項新技術稱為內部空間干燥工藝（inner space dry process），從表面上看，這聽起來不舒服，但實際上這個技術使IBM能夠進行精確的門控制。
在實施過程中，IBM還廣泛地使用EUV技術，并包括在芯片過程的前端進行EUV圖案化，而不僅是在中間和后端，后者目前已被廣泛應用于7納米工藝。重要的是，IBM這個芯片上的所有關鍵功能都將使用EUV光刻技術進行蝕刻，IBM也已經弄清楚了如何使用單次曝光EUV來減少用于蝕刻芯片的光學掩模的數量。
這樣的改善帶來的最終結果是，制造2納米芯片所需的步驟要比7納米芯片少得多，這將促進整個晶圓廠的發展，并可能也降低某些成品晶圓的成本。這是我們能看到的。
最后，2納米晶體管的閾值電壓（上表中的Vt）可以根據需要增大和減小，例如，用于手持設備的電壓較低，而用于百億超級計算機的CPU的電壓較高。
IBM并未透露這種2納米技術是否會采用硅鍺通道，但是顯然有可能。
能否量產是關鍵
當然，公布制程試制成功，和能量產依然是兩碼事，IBM自己2015年就宣布試制7nm制程成功，但一直到去年八月才有第一個商用化產品出現。因此IBM這里宣示的意味是比較濃厚，何時能有產品推出又是另一回事了。
目前量產的制程技術中，領先的是臺積電的5nm，由蘋果的M1、A14芯片及華為的Kirin 9000所用，次之為三星的5LPE，用在Snapdragon 888芯片上，再來就是兩間公司應用廣泛的7nm制程技術了。自然，所有人也都努力向著更高密度的芯片推進中，其中臺積電的4nm與3nm預計明年量產，而2nm也已經取得了關鍵性的突破，離IBM并不遠。反倒是Intel的7nm制程芯片（Intel的制程技術晶體管密度較高，因此約略介于臺積電的5nm與4nm之間）要等到2023年才投產，還是慢了一步了。
