與IBM合作的三星,或許將成為最大贏家。
就在臺積電和三星角逐3nm的白熱化階段,藍(lán)色巨人IBM再一次走在了前列。
據(jù)報道,曾擔(dān)任IBM半導(dǎo)體技術(shù)和研究副總裁穆列什·哈雷(MukeshKhare)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)完成了2nm工藝技術(shù)的突破,IBM也宣布造出全球第一顆2nm工藝的半導(dǎo)體芯片。
雖然IBM不直接參與晶圓代工廠之間的競爭,但它推出的技術(shù)和相關(guān)研究卻對先進(jìn)制程的升級有著極大的幫助。
2nm芯片,IBM打造
據(jù)了解,這次2nm工藝采用三層GAA(環(huán)繞柵極晶體管)技術(shù)。
沒錯,這正是三星主攻3nm工藝采用的技術(shù)。
在今年2月的IEEE國際固態(tài)電路大會(ISSCC)上,三星搶在臺積電之前展示了第一款采用3nm工藝的256GB容量SRAM存儲芯片,讓行業(yè)第一次窺見GAA架構(gòu)的廬山真面目。
此外,IBM使用兩項(xiàng)獨(dú)特的工藝:底部電介質(zhì)隔離(bottom dielectric isolation)以及內(nèi)層空間干燥處理(inner space dry process),這正是IBM掌握的2nm芯片制造技術(shù)的核心。
與當(dāng)下主流的FinFET工藝相比,GAA技術(shù)重新設(shè)計(jì)了晶體管底層結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了柵極控制,因此性能大大提升,體積也更小,速度也更快。
與當(dāng)前主流的 7nm 芯片相比,在同樣的電力消耗下,IBM 2nm芯片的性能預(yù)計(jì)提升45%,輸出相同情況下能耗降低75%。
往更深入看,IBM 2nm芯片的晶體管密度為每平方毫米3．33億個晶體管(MTr/mm)。
作為對比,當(dāng)下最先進(jìn)的臺積電5nmFinFET工藝每平方毫米約有1．73億個晶體管,2nm芯片足足多了兩倍,而三星的5nm芯片每平方毫米僅為1．27億個晶體管。
換個角度來看,IBM 2nm芯片在指甲蓋大小面積(約150平方毫米)內(nèi),容納了500億顆晶體管。
IBM聲稱,2nm技術(shù)將帶來多項(xiàng)提升:
手機(jī)電池壽命將大幅提升;
減少數(shù)據(jù)中心的碳足跡;
大大加強(qiáng)筆記本電腦性能;
有助于加快自動駕駛汽車等自主車輛的物體檢測和反應(yīng)時間;
另外,這項(xiàng)技術(shù)將使太空探索、人工智能、5G、量子計(jì)算等領(lǐng)域受益。
值得一提的是,這里的2nm并不是物理上的2nm,而是等效節(jié)點(diǎn)“Equivalent Nodes”,是表示從5nm,3nm工藝演進(jìn)而來的下一代工藝的“代號”。
這次2nm工藝只是實(shí)驗(yàn)室技術(shù),離真正實(shí)現(xiàn)2nm芯片量產(chǎn)還有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離,但這一消息依然稱得上業(yè)界的重磅炸彈。
此外IBM也是率先造出7nm(2015年)和5nm(2017年)芯片的廠商,在電壓等指標(biāo)的定義上很早就拿下主導(dǎo)權(quán)。
盡管如今的芯片市場的風(fēng)頭已經(jīng)被臺積電、三星、英特爾、AMD等“后起之秀”占據(jù),但藍(lán)色巨人IBM依然默默做著貢獻(xiàn)。
依然強(qiáng)悍的芯片巨頭
由于自身業(yè)務(wù)調(diào)整以及半導(dǎo)體制造業(yè)務(wù)大額虧損,IBM在2014年將旗下芯片制造業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)讓給半導(dǎo)體代工廠商GlobalFoundries(格芯),但I(xiàn)BM在半導(dǎo)體先進(jìn)制程方面的研究卻一直沒有停止,依然在紐約奧爾巴尼市保留了一家芯片制造研發(fā)中心。
在出售代工業(yè)務(wù)的同年,IBM耗資30億美元的項(xiàng)目著手進(jìn)行了一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃——“ 7nm and Beyond ”。
該計(jì)劃一方向在于開發(fā)可以經(jīng)濟(jì)地制造7nm及其以下制程的工藝,另一方面尋找可以新材料以支持先進(jìn)制程的繼續(xù)發(fā)展。
事實(shí)證明,這個計(jì)劃中脫胎的很多成果都推動了7nm、5nm發(fā)展,這種影響力已經(jīng)延續(xù)到3nm節(jié)點(diǎn)。
在IBM宣布“7nm and Beyond”計(jì)劃后一年,IBM與GlobalFoundries、三星等合作伙伴,共同推出了其首款7nm測試芯片。
時隔兩年,IBM與他的盟友再次首發(fā)業(yè)界第一個全新的5nm硅納米片(nanosheet)晶體管,為實(shí)現(xiàn)5nm工藝鋪平了道路。
盡管兩次芯片都是實(shí)驗(yàn)室測試芯片,距離真正量產(chǎn)還有相當(dāng)大的距離,但I(xiàn)BM在攻克制程中使用極紫外線光刻技術(shù)(EUV)進(jìn)行線的前端圖形繪制的技術(shù),極大推進(jìn)了后來EUV的商業(yè)化落地。在這之后,三星和臺積電紛紛宣布在7nm階段導(dǎo)入EUV技術(shù)。
同時,IBM堅(jiān)信,Nanosheet(納米片)將成為FinFET芯片架構(gòu)的替代品,在采用新納米片架構(gòu)的方面上,三星一直是將IBM技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室?guī)У绞袌龅闹覍?shí)守護(hù)者。
基于當(dāng)初IBM與三星之間在GAA上的合作研究,三星又重新設(shè)計(jì)了現(xiàn)有的GAA,使其成為多橋溝道FET(MBCFET),再后來這也成為三星與臺積電在3nm節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行較量的一大利器。
很顯然,在臺積電3nm FINEET工藝受挫的背景下,GAA技術(shù)注定將成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)繼續(xù)向前發(fā)展的關(guān)鍵。只不過GAA的制造難度顯然是極高的。
但I(xiàn)BM已經(jīng)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(xué)掩模的數(shù)量,這也將給晶圓巨頭們在制程突破上帶來了新思路。
結(jié)語
在全球半導(dǎo)體發(fā)展的過程當(dāng)中,IBM一直在其中充當(dāng)著重要的角色。在二十世紀(jì)六十到九十年代間推出了,IBM接連推出了多種技術(shù),深刻地影響了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
時至今日,雖然IBM已經(jīng)放棄了半導(dǎo)體制造業(yè)務(wù),但其所授予眾多晶圓代工廠的專利技術(shù),卻極大地推動了先進(jìn)制程的發(fā)展,這也使得他成為了先進(jìn)制程升級過程中的重要一員。
伴隨著先進(jìn)工藝玩家的減少,5nm節(jié)點(diǎn)處的競爭也愈演愈烈,IBM的“ 7nm and Beyond ”計(jì)劃的研究成果,將成為晶圓代工廠在競爭中取得優(yōu)勢的一大幫手。
目前各家的爭奪點(diǎn)依然在3nm制程的芯片,不僅需要晶圓代工廠在工藝上的突破,想實(shí)現(xiàn)真正量產(chǎn),還需要高通等上游設(shè)計(jì)公司、和ASML等中游設(shè)備廠商的努力。