指甲蓋大小塞了500億電晶體！領先臺積電，IBM打造世界首款2奈米晶片！能耗僅為7奈米的14！

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我們知道在2014年IBM已將其Microelectronics部門出售給GlobalFoundries時，IBM就已經宣告退出晶片代工業務。

但這幾年來，儘管IBM退出了代工業務，不過好像IBM在半導體先進工藝研發上一直沒有放棄，時不時會傳出IBM推出領先世界一兩代的最先進的技術。

據IBM官網5月6日訊息，IBM宣稱自己打造了世界首個2奈米的晶片，大幅推進了當前晶片生產技術的前沿，在半導體設計及製程上取得突破。

在IBM Research的Albany工廠製造的2 nm晶圓的特寫，肉眼可見單個晶片

使用透射電子顯微鏡觀察到的2nm晶片，2nm小於人類DNA單鏈的寬度

IBM官網釋出的2奈米晶片宣傳片：

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效能獲飛躍進展

在這裡IBM的2nm製程號稱在150mm（指甲蓋大小）的面積中塞入了500億個電晶體，平均每平方毫米為3。3億個。做為對比，臺積電和三星的7nm製程大約在每平方毫米是9，000萬個電晶體左右，三星的5LPE為1。3億個電晶體，而臺積電的5nm則是1。7億個電晶體。

據IBM 的說法，其2nm 架構可以在與現有的7nm 相同的效能下，

僅是7奈米的1/4的功耗，

也就是說放到現代手機中的話，可能四天才需要充一次電。又或者，它也能在與現有的7nm 相同的能耗下，增加45%的效能，在筆電、自駕車等較不在意功耗的場景下，可能帶來更高的運算力。其他包括資料中心、太空探索、人工智慧、5G、6G，乃至於量子運算都可能在受惠之列。

2奈米的研發路線及技術細節

據悉，目前擔任IBM混合雲研究副總裁的Mukesh Khare帶領其完成了2奈米技術的突破。

資料顯示，Khare在1999年到2003年間，從事90奈米SOI工藝的開發，該工藝將Power4和Power4+推向市場，他隨後又負責了65奈米和45奈米SOI的推進，這些技術被Power5和Power6採用；之後他對對用於Power7的32奈米技術進行了研究，然後研究了在Power8上使用的22奈米工藝中使用的高k /金屬柵極技術。然後Khare繼續擔任奧爾巴尼奈米技術中心的半導體研究總監，

如下圖所示，這是IBM掌握的2奈米晶片製造技術的要點。裡面有很多東西，讓我們把它拆開一點。

首先，在這個晶片上，IBM用上了一個被稱為奈米片堆疊的電晶體，它將NMOS電晶體堆疊在PMOS電晶體的頂部，而不是讓它們並排放置以獲取電壓訊號並將位從1翻轉為零或從0翻轉為1。這些電晶體有時也稱為gate all around或GAA電晶體，這是當前在各大晶圓廠被廣泛採用的3D電晶體技術FinFET的接班人。從以往的介紹我們可以看到，FinFET電晶體將電晶體的源極和漏極通道拉入柵極，而奈米片將多個源極和漏極通道嵌入單個柵極以提高密度。

IBM表示，其採用2奈米工藝製造的測試晶片可以在一塊指甲大小的晶片中容納500億個電晶體。

在IBM的這個實現方案下，奈米片有三層，每片的寬度為40奈米，高度為5奈米。如果您在上表的右側看，那是一張奈米片的側檢視，顯示出它的側檢視，其間距為44奈米，柵極長度為12奈米，Khare認為這是其他大多數晶圓代工廠在2奈米工藝所使用的尺寸。

2奈米晶片的製造還包括首次使用所謂的底部電介質隔離（bottom dielectric isolation），它可以減少電流洩漏，因此有助於減少晶片上的功耗。在上圖中，那是淺灰色的條，位於中部橫截面中的三個堆疊的電晶體板的下面。

IBM為2奈米工藝建立的另一項新技術稱為內部空間乾燥工藝（inner space dry process），從表面上看，這聽起來不舒服，但實際上這個技術使IBM能夠進行精確的門控制。

在實施過程中，IBM還廣泛地使用EUV技術，幷包括在晶片過程的前端進行EUV圖案化，而不僅是在中間和後端，後者目前已被廣泛應用於7奈米工藝。重要的是，IBM這個晶片上的所有關鍵功能都將使用EUV光刻技術進行蝕刻，IBM也已經弄清楚瞭如何使用單次曝光EUV來減少用於蝕刻晶片的光學掩模的數量。

這樣的改善帶來的最終結果是，製造2奈米晶片所需的步驟要比7奈米晶片少得多，這將促進整個晶圓廠的發展，並可能也降低某些成品晶圓的成本。這是我們能看到的。

最後，2奈米電晶體的閾值電壓（上表中的Vt）可以根據需要增大和減小，例如，用於手持裝置的電壓較低，而用於百億超級計算機的CPU的電壓較高。

IBM並未透露這種2奈米技術是否會採用矽鍺通道，但是顯然有可能。

能否量產是關鍵

當然，公佈製程試製成功，和能量產依然是兩碼事，IBM自己2015年就宣佈試製7nm製程成功，但一直到去年八月才有第一個商用化產品出現。因此IBM這裡宣示的意味是比較濃厚，何時能有產品推出又是另一回事了。

目前量產的製程技術中，領先的是臺積電的5nm，由蘋果的M1、A14晶片及華為的Kirin 9000所用，次之為三星的5LPE，用在Snapdragon 888晶片上，再來就是兩間公司應用廣泛的7nm製程技術了。自然，所有人也都努力向著更高密度的晶片推進中，其中臺積電的4nm與3nm預計明年量產，而2nm也已經取得了關鍵性的突破，離IBM並不遠。反倒是Intel的7nm製程晶片（Intel的製程技術電晶體密度較高，因此約略介於臺積電的5nm與4nm之間）要等到2023年才投產，還是慢了一步了。