IBM的2nm芯片，有望发挥重要作用

来源：本文由半导体行业观察编译自fastcompany。

英特尔联合创始人戈登·摩尔于 1965 年提出的摩尔定律预测，微芯片上的晶体管数量大约每两年就会翻一番，而成本会继续下降。这种趋势几十年来一直如此，但最近半导体行业内部人士认为摩尔定律几乎已经死了。IBM 的最新发明 2 纳米芯片表明该原理仍然有效。

半导体芯片保存着我们使用电脑、手机、电器、相机和汽车所需的数据。随着大流行引发了向远程工作的大规模过渡，增加了我们对计算机的依赖，它加剧了对芯片的需求，也助长了全球芯片短缺。“人们认为这是理所当然的，”IBM 研究院副总裁 Mukesh Khare 说。“但一切都在半导体上运行。芯片是我们在现代技术中所做的一切的支柱。”

几十年来，晶体管已经缩小了很多，从 1971 年最初的 10,000 纳米 (nm) 缩小到 2020 年的 5 纳米。IBM 新芯片上的 2 纳米晶体管本质上是一个连接晶体管的电路，比肉眼可以察觉的要小得多。一根头发的宽度是100,000nm；约7,000nm的红细胞；一条约 2.5nm 的 DNA 链。尺寸很重要：晶体管越小，就越适合芯片，从而提高效率。“每次你把事情做得更小，你就可以做得更多，”Khare 说。

2nm 芯片可能会提高所有使用它们的小工具的性能——比如我们的手机和 Microsoft Xbox——同时还会使它们变得更小并允许令人印象深刻的新功能。IBM 预测产品性能平均提高 45%，这可以让我们每四天而不是每天为手机充电一次，自动驾驶汽车可以做出更智能、更快速的决策。一直以来，这些电子产品应该更便宜，因为更小意味着生产成本更低。

把晶体管弄得这么小并不容易；这是十多年的工作成果，而且还在继续。“正如人们所说，'这不是火箭科学，'”Khare 说。“这实际上比火箭科学要困难得多。” 在一个指甲大小的硅芯片上，有 500 亿个晶体管，每个晶体管大约有五个原子大小。它们相互堆叠，就像建造摩天大楼充分利用有限的地面面积一样。“你开始将东西堆叠在一起，这样你就可以在相同的空间中获得更高的效率，”Khare 说。这些晶体管然后在一个电路中协同工作，使我们最喜欢的设备运转起来。

科技行业几乎占全球碳排放量的 2%，几乎与航空业一样多——这一比例可能在未来 12 年左右飙升至 20% 。根据 IBM 的说法，2 纳米芯片的另一个好处是可以潜在地减少 75% 的能耗，因为为更小的设备供电需要更少的能量。IBM 预测，如果世界上的每个数据中心都改用 2nm 芯片，同时保持相同的容量，一年可以为超过 4300 万户家庭供电。

在半导体短缺的背景下，这项发明对业界来说是个好消息。在大流行之前，随着摩尔定律的持久性受到质疑，投资正在减少，制造业工作岗位正在向海外转移。为了实现其蓝图，IBM 现在正与美国和国外的制造合作伙伴合作，于 2024 年开始大规模生产半导体。Khare 表示，这为扩展半导体技术提供了清晰的路线图，同时可能降低碳足迹，至少在未来 10 年内。

在那之后，他们能变小多少？Khare 很乐观，但表示主要挑战将是可持续性。“世界上是否有足够的能量来为所有这些芯片提供燃料？” 他问。“如果我们能控制住权力，我认为我们可以持续很长时间。”

IBM发布全球首个2nm芯片

背后技术全揭秘

在2014年将其IBM Microelectronics部门出售给GlobalFoundries（其本身是AMD的衍生产品）时，IBM就已经宣告退出芯片代工业务。毫无疑问，IBM此举是希望可以摆脱对代工厂的投资，同时还可以帮助成就一个更强大的第三方代工厂，蓝色巨人可以依靠它为其生产Power和z处理器。然而，具有讽刺意味的是，IBM的这笔交易能成功，是因为他们给GlobalFoundries 支付了15亿美元。更讽刺的是，后者也有可能帮助IBM的CPU竞争对手。

尽管IBM退出了代工业务，但发生了两个有趣的事情。

首先，该公司通常在纽约的工厂继续与AMD，三星，GlobalFoundries以及有时与Intel一起对半导体基础金属进行研究。我们不确定，但我们认为IBM想从这项工作中获得一些收益，近年来，他们也在7纳米，5纳米以及目前的2纳米工艺技术上做了一些研究。并推出了测试芯片。也许IBM认为，这项工作是保持其Power和z处理器不断发展的必要条件，但事实我们目前尚不清楚。

其次，GlobalFoundries于2018年8月终止了其7纳米极紫外（EUV）和常规浸没式光刻技术的进一步研发，因此这让IBM陷入了困境。为此他们选择了与三星合作，后者拥有制造DRAM和闪存的大型工厂，他们同时也正寻求扩大为自身和他人CPU做代工的晶圆代工业务。7纳米技术的代工合作伙伴的水平，对于今年即将面世的Power10芯片至关重要。

据之前报道，Power10最初计划使用IBM本身或GlobalFoundries的10纳米技术生产，但在此过程中发生了一些变化，他们在7nm翻车了。虽然三星已经对其进行了重建，但是Power路线图的时间已经延长了——正如英特尔因其10纳米和7纳米工艺的延迟而迫使其在架构上做更多的工作，但在工艺缩减上做得比以前少得多。

毫无疑问，从现在开始展望未来五年，半导体业务将会很艰难，因为随着摩尔定律的推进，缩小晶体管尺寸将变得越来越困难，并且预期的晶体管成本比例下降趋于平缓，近年来尤其困难。这就是为什么IBM Research今天在其纽约奥尔巴尼技术中心宣布其突破性的2nm技术的原因。

在蓝色巨人看来，这项突破性技术是非常重要，因为其展示了采用2纳米CMOS工艺在标准300毫米硅晶圆上蚀刻真实芯片的过程。

无论IBM推出这个的目的是啥，让我们感到高兴的是，IBM正在进行这项研究，并尽其所能帮助保持工艺节点的到来。过去，IBM完成了很多研发工作，其中包括数十年前创建单cell DRAM，当时该公司仍在自己制造存储芯片；他们还制造光刻胶并进行自己的3D芯片堆叠；IBM于1997年还发明了铜互连线，取代了半导体上传统的铝线，从根本上改善了性能并降低了晶体管的功耗；IBM还于2000年发明了硅绝缘子技术，并于2001年发明了低k电介质，所有这些技术都被带入了2001年推出的Power4处理器，使其能与RISC和CISC的竞争对手相比。这些技术让IBM的这个芯片成为了野兽。

由此可见，IBM深信，芯片制造技术使芯片架构得以飞跃。因此，也许显而易见的是，为什么蓝色巨人希望加入并发挥自己的作用。它是开明的工作自私，可能会花费与其产生的金钱相同或更多的费用。

从3nm走向2nm

据报道，目前担任IBM混合云研究副总裁的Mukesh Khare带领其完成了2纳米技术的突破。（如果Khare真正从事半导体研究，那么这个头衔就显得很愚蠢）。资料显示，Khare在1999年到2003年间，从事90纳米SOI工艺的开发，该工艺将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，这些技术被Power5和Power6采用；之后他对对用于Power7的32纳米技术进行了研究，然后研究了在Power8上使用的22纳米工艺中使用的高k /金属栅极技术。然后Khare继续担任奥尔巴尼纳米技术中心的半导体研究总监。

如下图所示，这是IBM掌握的2纳米芯片制造技术的要点。里面有很多东西，所以让我们把它拆开一点。

首先，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gate all around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。从以往的介绍我们可以看到，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。

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。因为这些术语在很大程度上是描述性的，而不是字面意义的，这令人发指。可以将其视为如果栅极仍为平面则必须具有的栅极尺寸，但却不是平面的，我想可能是这样。）如果您在上表的右侧看，那是一张纳米片的侧视图，显示出它的侧视图，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。

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（bottom dielectric isolation），它可以减少电流泄漏，因此有助于减少芯片上的功耗。在上图中，那是浅灰色的条，位于中部横截面中的三个堆叠的晶体管板的下面。

IBM为2纳米工艺创建的另一项新技术称为内部空间干燥工艺（inner space dry process），从表面上看，这听起来不舒服，但实际上这个技术使IBM能够进行精确的门控制。

在实施过程中，IBM还广泛地使用EUV技术，并包括在芯片过程的前端进行EUV图案化，而不仅是在中间和后端，后者目前已被广泛应用于7纳米工艺。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。这是我们能看到的。

最后，2纳米晶体管的阈值电压（上表中的Vt）可以根据需要增大和减小，例如，用于手持设备的电压较低，而用于百亿超级计算机的CPU的电压较高。

IBM并未透露这种2纳米技术是否会采用硅锗通道，但是显然有可能。

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％。

现在，我们知道您在想什么。首先，Power11芯片会使用这种2纳米工艺吗？其次，这之后到底会发生什么？1纳米工艺似乎几乎是不可能的，不是吗？

让我们再谈一遍Power路线图。Power10为7纳米，并且考虑到Power和z服务器业务的保守性和遗留的特性（正在对处理器进行三年更新），已经在设计中的Power11和正在白板中的Power12在有5纳米和3纳米节点可以使用时，似乎并没有必要先冲到2纳米。Khare也预计将在2024年底准备生产。Power11应该在2023年左右的某个时候出现，并且应该采用成熟的5纳米工艺，这意味着它将相对便宜。（比起采用4纳米，3纳米或2纳米工艺更便宜，这是相对的部分。）

Khare说：“我认为没有一堵墙是我们无法突破的，我会说还有更多的突破正在酝酿之中，随着技术的成熟，我们将分享越来越多的突破。”这是一个不错的措辞。“我没有看到一堵墙，我看到了很多机会和很多可以创新的东西，我们可以不断创新。”他补充说。

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