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IBM发布首个2纳米芯片,每平方毫米容纳3.3亿个晶体管

时间:2021-05-07 作者:EETimes China 阅读:
IBM发布了业界首个2纳米芯片制造工艺,他们号称在 150mm² 的面积中(约指甲盖大小)塞入了 500 亿个晶体管,平均每平方毫米是 3.3 亿个。作为比较,台积电和三星的 7纳米工艺大约在每平方毫米 9,000 万个晶体管左右,三星的 5LPE 为 1.3 亿个晶体管,而台积电的 5纳米则是 1.7 亿个晶体管……
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数十年来,每一代芯片的速度越来越快且更加省电,因为其最基本元素——晶体管变得越来越小,这令芯片单位面积克容纳的晶体管数目越来越多。晶体管的作用就像一个电子开关,在所有现代计算的基础上形成二进制数字1和0。把“开关”做得非常小,会让它们更快、更省电,但这也会导致一些问题,如电子泄漏。

相关制造工艺的提升可以改善这一状况,虽然工艺升级速度已经放缓,但本周四(5月6日)国际商业机器(IBM)表示,半导体工艺至少还可以向前推进一代。

世界首个2nm芯片,采用GAA工艺

IBM发布了业界首个2纳米芯片制造工艺,他们号称在 150mm² 的面积中(约指甲盖大小)塞入了 500 亿个晶体管,平均每平方毫米是 3.3 亿个。作为比较,台积电和三星的 7纳米工艺大约在每平方毫米 9,000 万个晶体管左右,三星的 5LPE 为 1.3 亿个晶体管,而台积电的 5纳米则是 1.7 亿个晶体管。

2纳米晶圆近照

据IBM介绍,他们的2纳米工艺采用三层GAA(环绕栅极晶体管)技术,这是第一次使用底介电隔离通道,它可以实现12纳米的栅长,其内部间隔是第二代干法设计,有助于纳米片的开发。这也是第一次使用EUV曝光FEOL部分过程。

IBM研究室主任达里奥·吉尔(Darío Gil)称:“归根结底还是晶体管,计算领域的其他一切都取决于晶体管是否变得更好。但不能保证晶体管会一代又一代地向前发展,因此,每当有更先进的晶体管出现时,这都是件大事。”

比7nm快45%,能效高75%

IBM表示,采用2纳米工艺制造的处理器,可以比现在许多笔记本电脑及手机所使用的主流7纳米处理器速度提升45%,能效提高75%。也就是说,其2纳米架构可以在与现有的 7纳米相同的性能下,只使用 25% 的电力,以现代智能手机为例,可能四天才需要充一次电。而在笔记本电脑、自动驾驶等队能耗不敏感的使用场景下,则能带来更高的算力。其他使用场景包括数据中心、太空探索、人工智能、5G、6G 乃至于量子计算。

(图自:AnandTech)

不过,芯片制造工艺从研发到投入市场可能需要花上数年时间,IBM的2纳米制造工艺离真正量产还有一段距离。就像2015年时,IBM 曾宣佈其 7纳米工艺试产成功,但一直到2020年8月才推出第一个商用产品;2017年他们也率先发布了5纳米芯片,但量产一直没有下文。所以2纳米对于 IBM 来说,宣传推广的意义更大。

IBM曾经是主要的芯片制造商之一,但在2014年将其制造工厂卖给了格芯(Globalfoundries),如今已经把量产芯片工作委托给了三星电子。不过,IBM与格芯签署了10年合作协议,仍保有纽约州奥尔巴尼(Albany)的芯片制造研发中心进行芯片试产,另一方面IBM也与三星、英特尔签订联合技术开发协议,两家公司可以使用IBM的芯片制造技术。

比起当前最尖端的5纳米芯片,2纳米芯片的体积会更小、速度也会更快。目前台积电5纳米工艺只用在苹果M1、A14处理器和华为海思麒麟9000等高端芯片上,三星的 5LPE也只用在骁龙 888 芯片上。

5纳米之后的下一个技术节点为4纳米或3纳米,台积电和三星都预计明年开始量产。英特尔这边的 7纳米要等到 2023 年才投产,还是慢了一步了,不过英特尔的工艺技术定义上,对晶体管密度要求更高,因此他们的7纳米性能约介于台积电的 5纳米与4纳米之间。

关于IBM这次采用的GAA晶体管技术,三星3纳米、英特尔5纳米以及台积电2纳米均将首次采用。

不过前些年炒得火热的“几纳米”,已因为芯片由 2D 平面向着3D结构的发展,而失去了原有的意义。以前工艺数字越小,可能代表着零组件的尺寸可以做到越小,而现在的5纳米、3纳米更多只是一种“换代”概念。

责编:Luffy Liu

本文部分内容参考自IBM、路透社、IBM Research、AnandTech、快科技、itmedia

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