[原创] IBM的30亿美元芯片计划
2020-07-22
14:00:03
来源: 半导体行业观察
现在，三星和台积电在7nm节点处正式展开较量，他们二者之间在未来3nm节点的争锋更是引起了业界的广泛关注。而在他们的竞争的背后，却有这样一家企业，他虽然不直接参与晶圆代工厂之间的竞争，但他所推出的技术或者相关研究却对先进制程的升级很有帮助，这家企业就是IBM。
IBM以输出技术及提供服务平台而闻名，他在先进制程沿着摩尔定律向前发展的过程中起到了重要的推动作用。IBM所创建的全球IBM制造技术联盟（成员包括有三星、东芝、AMD、Freescale、英飞凌、意法半导体、Chartered及NEC八家），攻克了当时32/28纳米时的高k金属栅(HKMG)工艺难题。后来，其所研发的SOI技术曾经引领了一代晶圆代工厂的发展，也同样为AMD等厂商所推出的芯片带来了性能上的提升。
后来由于种种原因，IBM在2014年将其芯片制造业务出售给了GlobalFoundries，但其在半导体先进制程方面的研究却一直没有停止。因为也是在这一年中，IBM着手布局了一项耗资30亿美元的项目——“ 7nm and Beyond ”。据相关报道显示，该项目涉及了两个方向，一是开发可以经济地制造7nm及其以下制程的工艺。另一个方面则是寻找可以新材料（如石墨烯、III- V）和技术以支持先机制程的继续发展。
在IBM“ 7nm and Beyond ”计划中脱胎的很多成果都推动了如今7nm发展，这种影响力甚至在未来3nm节点处仍有体现。
在IBM宣布“ 7nm and Beyond ”计划后一年，IBM就与GlobalFoundries、三星等合作伙伴，共同推出了其首款7nm测试芯片。
需要强调的是，IBM在2015年推出的这款7nm芯片是实验室测试芯片。据外媒当时的报道显示，“要制造出7nm制式的半导体芯片还需要很长的时间”，IBM Research半导体技术副总裁Mukesh Khare称：“通过使用SiGe（锗硅）材料及极紫外（EUV）光刻技术，IBM Research的研究员得以完成上述7nm测试芯片。”
而后，在2017年，IBM又联合三星与GlobalFoundries推出了一款5nm芯片。当时，IBM研究中心的硅器件负责人Bu Huiming表示，该5nm芯片是第一次使用极紫外线光刻技术进行线的前端图形绘制。EUV的波长(13.5nm)比目前的浸入式光刻机(193nm)要窄得多这反过来又可以减少构图阶段的数量。该研究成果，又进一步推进了EUV的商业化落地。
回过头来看，虽然IBM当时推出的7nm工艺仅是一款实验室芯片，但从现在看来，从IBM推出7nm测试芯片到5nm芯片，其中所采用的EUV技术是一次大胆的尝试，这种尝试也为现在先进工艺的发展起到了深刻的影响（众所周知，EUV被视为是推动先进工艺向下发展的关键设备之一。最近两年，三星和台积电也纷纷宣布在7nm阶段导入EUV技术）。
三星率先推出了采用EUV技术的7nm工艺，无疑是EUV技术实现商业化的重要推手。或许是IBM十分看好采用EUV技术的先进工艺，也或许是基于IBM和三星多年来的合作。2018年，IBM选择将其Power处理器交给了三星进行代工，根据双方的合作信息，IBM将使用三星的7nm EUV工艺生产未来的Power处理器及其他HPC产品。而这项合作的达成，则进一步推动了EUV技术在实际应用中的落地。
日前，IBM也在IEEE中发表的文章中称，“在2014-2015年的时间窗口中，整个行业对EUV技术的实际可行性存在很大的疑问。但现在，EUV已成为主流推动者。当时，我们基于EUV交付了第一款7nm技术，这有助于建立对我们行业中EUV制造的信心和动力。”
IBM相信，实现超越FinFET的规模扩展的芯片基础元素将是Nanosheet（纳米片）。IBM认为，Nanosheet可以被视为是FinFET架构的替代品，并有望实现从7nm和5nm节点到3nm节点的过渡。
据相关资料显示，IBM Research从事GAA晶体管研究已有十多年了，其设备架构已从单纳米线发展到堆叠纳米片。2015年，研究人员在S3S会议上发表了第一篇纳米片论文，首次为“Nanosheet”命名。2017年，IBM和研究合作伙伴三星宣布了业界首个制造可用于5nm芯片的硅纳米片晶体管的工艺。
在2019年的IEEE国际电子设备会议上，IBM Research在纳米片上的最新进展显示，他们利用了全能门（GAA）堆叠纳米片，解决了FinFET在真正的5nm节点及以后所面临的若干挑战。在该会议中，IBM指出，由于GAA中更好的静电控制和更高的封装密度，NanoSheet提供了更好的功率性能设计点。与目前晶圆代工厂中可用的最新，最出色的7nm FinFET技术相比，NanoSheet技术在相同功率下的性能提高了25％以上，在相同性能下的功率节省了50％以上。同时，由于极紫外光刻（EUV）支持可变宽度，Nanosheet技术可以为AI和5G时代计算机产品的更好设备架构。
在采用新纳米片架构的方面上，三星依旧是将IBM技术从实验室带到市场的忠实守护者。基于当初IBM与三星之间在GAA上的合作研究，三星又重新设计了现有的GAA，使其成为多桥沟道FET（MBCFET ™）。据三星公布资料显示，MBCFET ™的功率效率比GAA更高，其性能也因此更好。与现有的7纳米鳍式晶体管工艺技术相比，MBCFET™将功耗降低了50％，性能提高了30％，晶体管占用的面积减少了45％。
据悉，这项被称作是MBCFET™的技术将作为三星3nm的第一个工艺节点出现在市场中。而根据三星的先进工艺规划来看，2021年或许我们就能窥见这项技术的庐山真面目。
我们都知道，三星正在晶圆代工业务上发力，GAA就是他与台积电在3nm节点处进行较量的一大利器。与此同时，市场中也有传言称，台积电或将在其第二代3nm或2nm上会升级到GAA晶体管技术。另外，据观察者网的消息显示，英特尔似乎也有意向在其5nm节点处采用GAA环绕栅极晶体管。这些晶圆代工厂向GAA技术的靠拢，也说明了该技术拥有十分广阔的发展前景。
但在GAA架构落实到先进工艺的过程中，依然存在着一些挑战，IBM正是致力于解决这挑战并进行创新的中流砥柱。
根据EET的报道显示，在2020年VLSI技术和电路专题讨论会上，IBM Research的一个团队介绍了其在纳米片架构上的最新工作，据相关报道显示，该研究团队成功地在晶体管栅极周围产生了称为空气隔离物的空气囊，该空气囊普遍适用于任何设备架构，并提供了一种更实用，兼容的方式来使设备消耗得更少。实际上，他们已经表明，与将器件缩放到5 nm节点相比，在7 nm节点设备上应用此空气隔离器可提供更好的性能增益和功耗降低。
基于IBM这项研究，IBM的合作伙伴CEA-Leti的研究人员表示，他们已经制造出了一种新的堆叠式七层全环绕（GAA）纳米片晶体管架构，以替代FinFET技术。IBM的研究人员预计，他们的工作将为未来几年在FinFET和NanoSheet晶体管中采用其技术铺平道路。
IBM为先进工艺所做出的付出，并不是每次都能如愿实现商业化。
当初，在新材料方面，IBM曾经一度认为SiGe是未来晶体管的发展方向，IBM曾在其一篇技术文章中提到，在先进制程继续向下发展的过程中，沟道材料的创新以降低晶体管的沟道电阻是研究的关键领域，这就是为什么IBM要探索硅锗（SiGe）的原因。IBM指出，SiGe具有比纯硅更高的电子迁移率，这使其更适合于较小的晶体管。
但近些年来，伴随着业界对III-V族材料的认识越来越深入，这使得同样可以实现高电子迁移率的III-V族材料被应用到越来越多工艺当中，也被视为是取代硅的理想材料。据相关报道显示，台积电就曾对外表示，III-V族材料也有可能会代替传统的硅作为晶体管的通道材料以提升晶体管的速度。
在全球半导体发展的过程当中，IBM一直在其中充当着重要的角色——在二十世纪六十到九十年代间推出了，IBM接连推出了单晶体管的DRAM单元、RISC处理器架构、倒装芯片技术、代替铝的铜互连技术、化学机械抛光技术(CMP)、氟化氩(ArF)光刻以及SOI技术，这些技术都深刻地影响了半导体产业的发展。
在晶圆代工方面，从1988年IBM创建200mm生产线到2014年IBM将其半导体制造业务出售给GlobalFoundries的近三十年时间里，IBM也曾在该领域中拥有高光时刻——据2003年的报道称，iSuppli的统计报告显示，IBM公司的晶圆代工服务已跃身入围世界前三强，以6.3%的市场份额紧随台积电、联电之后。但IBM却无心壮大其晶圆代工业务，根据相关媒体报道显示，虽在2003年的晶圆代工市场表现亮眼，但以半导体业务为核心的IBM科技事业部技术制造服务总经理John Acocella仍强调，公司并不打算追随台积电或联电的脚步成为晶圆代工大厂，IBM仍然与其他晶圆代工厂商保持客户关系。
IBM虽然已经放弃了半导体制造业务，但其所授予众多晶圆代工厂的专利技术，却极大地推动了先进制程的发展，这也使得他成为了先进制程升级过程中的重要一员。而伴随着10nm及其以下先进工艺玩家的减少，7nm、5nm节点处的竞争也愈演愈烈，IBM的“ 7nm and Beyond ”计划的研究成果，或许成为晶圆代工厂在竞争中取得优势的一大帮手。
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