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,藍色巨人IBM再一次走在了前列。
據報道,曾擔任IBM半導體技術和研究副總裁穆列什·哈雷(MukeshKhare)帶領的團隊完成了2nm工藝技術的突破,IBM也宣布造出全球第一顆2nm工藝的半導體芯片。
雖然IBM不直接參與晶圓代工廠之間的競爭,但它推出的技術和相關研究卻對先進制程的升級有著極大的幫助。
2nm芯片,IBM打造
據了解,這次2nm工藝采用三層GAA(環繞柵極晶體管)技術。
沒錯,這正是三星主攻3nm工藝采用的技術。
在今年2月的IEEE國際固態電路大會(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,讓行業第一次窺見GAA架構的廬山真面目。
此外,IBM使用兩項獨特的工藝:底部電介質隔離(bottom dielectric isolation)以及內層空間干燥處理(inner space dry process),這正是IBM掌握的2nm芯片制造技術的核心。
與當下主流的FinFET工藝相比,GAA技術重新設計了晶體管底層結構,增強了柵極控制,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芯片的性能預計提升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,當下最先進的臺積電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,容納了500億顆晶體管。
IBM聲稱,2nm技術將帶來多項提升:
手機電池壽命將大幅提升;
減少數據中心的碳足跡;
大大加強筆記本電腦性能;
有助于加快自動駕駛汽車等自主車輛的物體檢測和反應時間;
另外,這項技術將使太空探索、人工智能、5G、量子計算等領域受益。
值得一提的是,這里的2nm并不是物理上的2nm,而是等效節點“Equivalent Nodes”,是表示從5nm,3nm工藝演進而來的下一代工藝的“代號”。
這次2nm工藝只是實驗室技術,離真正實現2nm芯片量產還有相當遠的距離,但這一消息依然稱得上業界的重磅炸彈。
此外IBM也是率先造出7nm(2015年)和5nm(2017年)芯片的廠商,在電壓等指標的定義上很早就拿下主導權。
盡管如今的芯片市場的風頭已經被臺積電、三星、英特爾、AMD等“后起之秀”占據,但藍色巨人IBM依然默默做著貢獻。
依然強悍的芯片巨頭
由于自身業務調整以及半導體制造業務大額虧損,IBM在2014年將旗下芯片制造業務轉讓給半導體代工廠商GlobalFoundries(格芯),但IBM在半導體先進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中心。
在出售代工業務的同年,IBM耗資30億美元的項目著手進行了一項雄心勃勃的計劃——“ 7nm and Beyond ”。
該計劃一方向在于開發可以經濟地制造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制程的繼續發展。
事實證明,這個計劃中脫胎的很多成果都推動了7nm、5nm發展,這種影響力已經延續到3nm節點。
在IBM宣布“7nm and Beyond”計劃后一年,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業界第一個全新的5nm硅納米片(nanosheet)晶體管,為實現5nm工藝鋪平了道路。
盡管兩次芯片都是實驗室測試芯片,距離真正量產還有相當大的距離,但IBM在攻克制程中使用極紫外線光刻技術(EUV)進行線的前端圖形繪制的技術,極大推進了后來EUV的商業化落地。在這之后,三星和臺積電紛紛宣布在7nm階段導入EUV技術。
同時,IBM堅信,Nanosheet(納米片)將成為FinFET芯片架構的替代品,在采用新納米片架構的方面上,三星一直是將IBM技術從實驗室帶到市場的忠實守護者。
基于當初IBM與三星之間在GAA上的合作研究,三星又重新設計了現有的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節點處進行較量的一大利器。
很顯然,在臺積電3nm FINEET工藝受挫的背景下,GAA技術注定將成為半導體產業繼續向前發展的關鍵。只不過GAA的制造難度顯然是極高的。
但IBM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,這也將給晶圓巨頭們在制程突破上帶來了新思路。
結語
在全球半導體發展的過程當中,IBM一直在其中充當著重要的角色。在二十世紀六十到九十年代間推出了,IBM接連推出了多種技術,深刻地影響了半導體產業的發展。
時至今日,雖然IBM已經放棄了半導體制造業務,但其所授予眾多晶圓代工廠的專利技術,卻極大地推動了先進制程的發展,這也使得他成為了先進制程升級過程中的重要一員。
伴隨著先進工藝玩家的減少,5nm節點處的競爭也愈演愈烈,IBM的“ 7nm and Beyond ”計劃的研究成果,將成為晶圓代工廠在競爭中取得優勢的一大幫手。
目前各家的爭奪點依然在3nm制程的芯片,不僅需要晶圓代工廠在工藝上的突破,想實現真正量產,還需要高通等上游設計公司、和ASML等中游設備廠商的努力。