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半导体

IBM首发2纳米,芯片之争再升级

日前,IBM公司宣布其在芯片工艺上取得重大突破,开发出全球首项2nm芯片制造技术。实际上,各国有关2nm的竞赛早已展开。2019年6月,台积电宣布启动2nm工艺研发。今年3月,欧盟委员会在一项名为《2030数字指南针》计划中,提出生产能力冲刺2nm的目标。日本政府也于日前表示将出资420亿日元,联合日本三大半导体厂商——佳能、东京电子以及Screen Semiconductor Solutions共同开发2nm工艺。此次,IBM首发2nm,使得芯片之争再度升级。

先进工艺之争日益激烈

制造工艺不断微缩是芯片产品性能不断进化的驱动力之一。2nm相比当前可量产的7nm/5nm工艺芯片,在晶体管密度、性能、功耗等方面都实现大幅提升。据预计,IBM 2nm工艺或能在每平方毫米芯片上集成3.33亿个晶体管。相比之下,台积电5nm工艺每平方毫米约为1.71亿个晶体管,三星5nm工艺每平方毫米约为1.27亿个晶体管。这使得2nm芯片的性能有望提升45%、功耗有望降低75%。

根据IBM发布的新闻稿,2nm工艺制造技术,能够助力手机、数据中心、PC、自动驾驶等领域应用实现性能飞跃。数据中心能耗巨大,约占全球能源消耗的1%,如将处理器替换为2nm产品将可大大降低这一数字。对于PC产品来说,2nm芯片将加快应用程序的处理速度,更容易地翻译语言、更快速地接入互联网。在自动驾驶领域,2nm芯片能够助力算法更快运行,进而提升自动驾驶汽车的响应时间。

据报道,IBM已与三星、英特尔签署了联合开发协议。不过,该技术目前仍处在概念验证阶段,可能还需几年才能投入市场。当前,各国均在积极开发半导体先进工艺。IBM 2nm工艺芯片制造技术的发布,使得业界的竞争进一步加剧。

台积电早在2019年6月便宣布启动2nm工艺研发,并成立研发团队。有报道称,台积电正与苹果一起联合推进2nm工艺的研发,预计2023年将进行小规模试产。如果一切顺利,台积电生产2nm芯片在2024年就能批量上市,这比原本预期时间提早一年。今年年初,台积电把2021年的资本支出预算大幅提高到250亿到280亿美元,最近更是追加到300亿美元。未来三年台积电计划总共投入1000亿美元实现产能增加和研发投入。

我国台湾地区工研院产科国际所研究总监杨瑞临表示,IBM长期与三星合作,这次在2nm技术获重大突破,是否有助三星现有的3nm制程发展,值得密切观察,不过目前台积电仍取得客户端信赖优势。

加速GAA技术商品化进程

IBM发布的2nm芯片制造技术,采用全新的GAA架构,验证了GAA的可行性,将加速GAA技术的量产及商品化进程。

据媒体报道,IBM并未说明其2nm芯片采用的具体工艺,但根据图片推测应为环绕式栅极工艺(three-stack GAA)。所谓GAA结构,是通过更大的栅极接触面积提升对电晶体导电通道的控制能力,从而降低操作电压、减少漏电流,有效降低芯片运算功耗与操作温度。

目前,台积电、三星在5nm/7nm工艺段都采用FinFET结构,而在下一世代的晶体管结构的选择上,台积电、三星却出现分歧。台积电总裁魏哲家在法说会上曾表示,3nm的架构将会沿用FinFET结构。台积电首席科学家黄汉森强调,之所以做此选择是从客户的角度出发。采用成熟的FinFET结构产品性能显然更加稳定。三星则选择采用GAA结构。在今年的IEEE国际固态电路大会(ISSCC)上,三星首次公布了3nm制造技术的一些细节——3nm工艺中将使用类似全栅场效应晶体管(GAAFET)结构。

“GAA技术对于晶体管的持续微缩至关重要。3nm GAA的关键特性是阈值电压可以为0.3V。与3nm FinFET相比,这能够以更低的待机功耗实现更好的开关效果,” IBS首席执行官Handel Jones说。“ 3nm GAA的产品设计成本与3nm FinFET不会有显著差异。但GAA的IP认证将是3nm FinFET成本的1.5倍。”

随着工艺节点的持续演进,摩尔定律将会进一步放慢速度。3nm及未来的2nm、甚至1nm工艺,最大的问题不是技术研发,而是成本太高越来越少有人用得起。有数据显示,7nm工艺仅研发费用就需要至少3亿美元,5nm工艺平均要5.42亿美元,3nm、2nm的工艺起步价大约在10亿美元左右。台积电3nm工艺的总投资高达500亿美元。目前在建厂方面至少已经花费200亿美元,可见投入之庞大。“果一旦投入,其势将面临用户从哪里来,如何平衡生产成本等问题。”半导体专家莫大康指出。

除此之外,2nm芯片还将需要面临产品何时能普及以及潜在的良率问题。IBM 研究室主任Darío Gil 也坦言,虽然IBM 率先业界开发出2nm工艺芯片及技术,如果要将其真的普及于市场,预估还要几年的时间。


责任编辑:陈炳欣


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