臺(tái)積電和三星慌了？藍(lán)色巨人出手就是一顆深水炸彈

　　藍(lán)色巨人崛起了!

　　近日，IBM宣布了一條可以轟炸整個(gè)科技圈的消息，成功研發(fā)出了全球首款2nm EUV工藝的半導(dǎo)體芯片。

　　IBM表示，與臺(tái)積電的5nm相比，2nm芯片的晶體管密度幾乎是前者的兩倍，達(dá)到了333.33 MTr/mm2，即每平方毫米可容納3.3億個(gè)晶體管。

　　講的生動(dòng)形象點(diǎn)，就是這種技術(shù)可以在人的指甲蓋(大概150平方毫米)上安裝500億個(gè)晶體管。

　　按照IBM官方的說(shuō)法，在電力消耗統(tǒng)一的條件下，2nm相較于7nm性能高出45%，而在同一輸出性能下，2nm的功耗也會(huì)減少75%。

　　2nm芯片，IBM第一個(gè)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)?

　　眾所周知，目前最先進(jìn)且實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的芯片工藝為5nm，而臺(tái)積電改良版的5nm EUV工藝將會(huì)在2021下半年推出，有傳言稱(chēng)，蘋(píng)果的A15仿生芯片會(huì)搭載這項(xiàng)技術(shù)。

　　IBM宣布造出2nm芯片之前，這家公司是沒(méi)有10nm以下的工藝晶圓場(chǎng)的，現(xiàn)在出了這么大一個(gè)新聞，是否意味著IBM直接從10nm以上的制程工藝直接過(guò)渡到2nm呢?

　　當(dāng)然不是，因?yàn)镮BM的2nm是在位于紐約州奧爾巴尼的芯片制造研究中心做出來(lái)的，要知道實(shí)驗(yàn)室做出來(lái)的東西與實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，兩者之間的關(guān)系并不對(duì)等。

　　通常情況下，工藝從實(shí)驗(yàn)室里出來(lái)，到正式量產(chǎn)商用，這一過(guò)程需要芯片代工廠(chǎng)不斷提升晶圓的良率。所謂的晶圓良率，指的是最終完成所有測(cè)試的合格芯片與整片晶圓上的有效芯片的比值，晶圓良率越高，產(chǎn)出的芯片就會(huì)越多，廢棄的芯片也就越少。簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)講，就是晶圓良率決定了工藝成本。

　　如果工藝的晶圓良率很低，量產(chǎn)需要芯片代工廠(chǎng)投入更多的晶圓，成本隨之增加，這些增加的成本會(huì)給到廠(chǎng)商，產(chǎn)品的價(jià)格漲了，最終這些成本會(huì)疊加到消費(fèi)者身上。

　　就目前來(lái)看，IBM的2nm芯片還處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離量產(chǎn)商用還很遙遠(yuǎn)，即便解決了晶圓良率問(wèn)題，IBM現(xiàn)在也沒(méi)有大規(guī)模實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)芯片的能力，反倒是有可能將這項(xiàng)制程工藝交給像臺(tái)積電、三星這樣的芯片制作商進(jìn)行代工。

　　為什么這么說(shuō)?因?yàn)镮BM在2014年將自己的晶圓廠(chǎng)賣(mài)給了格羅方德(一家位于美國(guó)加州硅谷桑尼維爾市半導(dǎo)體晶圓代工廠(chǎng)商)，所以，現(xiàn)在的IBM可以說(shuō)是“力不從心”。

　　IBM的2nm工藝是什么技術(shù)?

　　5nm工藝推出之前，業(yè)界采用的是FinFET(鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)晶體管結(jié)構(gòu)，只能在閘門(mén)一側(cè)控制電路連通與斷開(kāi)不同，F(xiàn)inFET晶體管結(jié)構(gòu)中的閘門(mén)類(lèi)似魚(yú)鰭的叉狀，可以控制閘門(mén)兩側(cè)電路的連通和斷開(kāi)，進(jìn)一步減少了漏電的幾率，同時(shí)，大幅縮短了晶體管的柵長(zhǎng)。

　　講得通俗易懂點(diǎn)，就是傳統(tǒng)的FET(場(chǎng)效應(yīng)管)屬于平面架構(gòu)，只能控制一側(cè)的電路，而FinFET則是3D立體架構(gòu)，可以同時(shí)控制兩側(cè)電路。

　　當(dāng)工藝演進(jìn)到5nm后，F(xiàn)inFET結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足晶體管所需的靜電控制，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的漏電問(wèn)題。為此，三星率先采用了GAA(環(huán)繞式柵極)的晶體管結(jié)構(gòu)，并對(duì)3nm制程工藝的芯片進(jìn)行研發(fā)。

　　不湊巧的是，IBM的2nm制程工藝也是同樣的GAA結(jié)構(gòu)。不過(guò)，GAA晶體管結(jié)構(gòu)又可分為納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)GAAFET和納米片結(jié)構(gòu)MBCFET，而IBM采用的是納米片結(jié)構(gòu)。

　　與納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)相比，納米片結(jié)構(gòu)的接觸面積更大，但不利于片與片之間的刻蝕(通過(guò)化學(xué)或物理的方法去除硅片表面不需要的部分)和薄膜生長(zhǎng)(集成電路在制造過(guò)程中需要在晶圓片表面生長(zhǎng)數(shù)層材質(zhì)不同、厚度不同的薄膜)。

　　需要注意的是，IBM的2nm已不再是指柵極長(zhǎng)度(MOS管的最小溝道長(zhǎng)度)，而是等效成了芯片上晶體管節(jié)點(diǎn)密度。因此，這里的2nm只是一個(gè)命名代號(hào)，而非物理上的2nm。

　　另外，IBM表示，2nm制程工藝還用到了其他技術(shù)，例如為了減少漏電和降低功耗的「底部電介質(zhì)隔離」技術(shù);可以精準(zhǔn)門(mén)控的「內(nèi)層空間干燥處理」技術(shù);還有用于圖案薄膜或大部分晶片部分的「EUV光刻」技術(shù)。

　　老牌芯片制造商的2nm進(jìn)度如何?

　　說(shuō)白了，IBM宣布2nm芯片，只是為了「秀肌肉」罷了，想要引起外界更多的關(guān)注。

　　既然知道了IBM 2nm是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，那么像三星和臺(tái)積電這樣的元老級(jí)芯片制作商的2nm進(jìn)展如何呢?

　　結(jié)合現(xiàn)有的消息來(lái)看，臺(tái)積電和三星的5nm均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。臺(tái)積電計(jì)劃今年下半年推出N5P工藝，也就是升級(jí)版的5nm工藝。到了2022，臺(tái)積電將量產(chǎn)4nm工藝，進(jìn)一步擴(kuò)大EUV的適用范圍;2022下半年，臺(tái)積電將量產(chǎn)3nm工藝。

　　至于2nm工藝，此前據(jù)臺(tái)媒報(bào)道稱(chēng)，臺(tái)積電預(yù)計(jì)會(huì)在2024年實(shí)現(xiàn)2nm工藝的量產(chǎn)。

　　而三星這邊暫時(shí)沒(méi)有量產(chǎn)2nm工藝的消息，只是決定自家3nm工藝將采用GAA架構(gòu)。

　　值得一提的是，由于IBM并沒(méi)有量產(chǎn)2nm的能力，再加上它與三星和英特爾有合作，如果IBM搶在臺(tái)積電和三星之前，解決了晶圓良率問(wèn)題，那么2nm工藝最有可能讓三星來(lái)代工。

　　總結(jié)

　　在整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)，只有晶圓良率提升到一定的程度，芯片才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，然后再轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品來(lái)到消費(fèi)者手中。所以，歷代IBM制程工藝的研發(fā)都要早于臺(tái)積電量產(chǎn)的時(shí)間。

　　舉個(gè)例子，IBM在2015年研發(fā)出了7nm制程工藝，而臺(tái)積電的7nm量產(chǎn)時(shí)間為2018年;再比如5nm制程工藝，IBM研發(fā)時(shí)間為2017年，臺(tái)積電則是在2020年才實(shí)現(xiàn)了5nm工藝的量產(chǎn)。因此，IBM提前研發(fā)出2nm制程工藝，實(shí)屬正常。

　　芯片制造技術(shù)可以看作是一種點(diǎn)石成金的煉金術(shù)，只要能掌握這項(xiàng)核心技術(shù)，那么便可以輕松控制上下游產(chǎn)業(yè)鏈。如果中國(guó)制造能夠在芯片領(lǐng)域獲得新突破，并加入全球產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)內(nèi)卷的話(huà)，這對(duì)于國(guó)內(nèi)的消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，絕對(duì)可以稱(chēng)得上是一件值得高興的事。

　　不過(guò)，從不好的方面來(lái)看，3nm制程工藝或許已經(jīng)是突破「摩爾定律」的極限，因?yàn)楣璧木Ц癯��?shù)是543pm，再往前是不可能突破物理極限的，所以只能另辟蹊徑，芯片廠(chǎng)商需要探索新的架構(gòu)和設(shè)計(jì)。

　　本質(zhì)上，IBM的2nm并沒(méi)有突破物理極限，而是采用了新的GAA架構(gòu)，雖然可以通過(guò)增大晶體管節(jié)點(diǎn)的密度，來(lái)提升芯片的性能，但是這種解決方案也不是萬(wàn)能的，缺點(diǎn)也很明顯(片與片之間刻蝕和不利于薄膜生長(zhǎng))。如果找不到新的突破口的話(huà)，最壞的結(jié)果就是整個(gè)芯片行業(yè)可能會(huì)停滯不前。

　　以5nm為例，蘋(píng)果的A14仿生芯片采用的是臺(tái)積電5nm制程工藝，而現(xiàn)在安卓旗艦搭載的驍龍888則是三星的5nm工藝，前者性能相較于上代提升并不明顯，甚至可以說(shuō)是擠牙膏;后者發(fā)熱嚴(yán)重，功耗翻車(chē)。綜合來(lái)看，5nm的實(shí)際表現(xiàn)還不如7nm。

　　如果按照這個(gè)思路繼續(xù)往下推導(dǎo)的話(huà)，IBM的2nm可能沒(méi)有想象中的那么好，往往理論并不能代表實(shí)際表現(xiàn)。