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芯片制程工艺里程碑!IBM正式发布2nm芯片

时间:2021-11-25

来源:维科电子工程网

导语:11月25日消息,据B站UP@IBM中国发布的视频来看,IBM已经创造出世界上第一个2nm节点芯片,该芯片最小元件比DNA单链还小,并且是全球晶体管数量最多的芯片,相当于整个世界树木的10倍,而且其性能相比当前的7nm芯片提高了足足45%,如果将能耗比视为首位,其功耗也做到了比7nm芯片减少了75%。

  芯片可容纳500亿晶体管

  据悉,该芯片是在IBM研究院在其纽约州奥尔巴尼半导体研究机构设计和生产,根据IBM公布的芯片数据信息显示,该2nm芯片可容纳500亿个2nm晶体管,这意味着在每平方毫米芯片上集成3.33亿个晶体管。

  与之相比,目前台积电的5nm芯片制程约有1.71亿个晶体管,而三星5nm制程每平方毫米约有1.27亿个晶体管。这使得该芯片在计算速度方面翻了将近一倍。

  IBM此次研发出来的芯片纳米技术对半导体进行了更高级的扩展,这种架构是业界首创。IBM通过增加每个芯片上的晶体管数量可以让芯片变得更小、更快、更可靠、更高效。2 nm芯片制程工艺设计的成功,意味着在IBM在宣布 5 纳米设计研发成功之后,仅用了不到四年时间就再次实现技术突破。

  在IBM这次研发的2nm芯片里,IBM用上了一个被称为3D纳米片堆叠的晶体管技术(nanosheet stacked transistor),它将NMOS晶体管堆叠在PMOS晶体管的顶部,而不是正常晶体管那样并排放置,利用类似电子开关形成二进制数字1和0的变化。后者尽管有更快、更省电的作用,其最大的缺点是电子泄漏,而IBM的2nm芯片已经克服了这个问题。

  与此同时,该芯片还使用了底部电介质隔离(bottom dielectric isolation)技术、内部空间干燥工艺(inner space dry process)技术、2nm EUV技术等,将有效改善原有晶体管技术存在的一些问题。

  国际芯片制程工艺进展缓慢

  一直以来,随着现在芯片制程工艺逐渐逼近物理极限,网上正不断传出“摩尔定律将死”的传闻,这或许与如今芯片制程进度缓慢有关。

  目前,全球范围内,有能力突破芯片10nm及以下先进制程技术的芯片厂商仅仅只有台积电。三星两家,但是近日也有消息称这两家厂商最新的3nm芯片制程工艺遇到了瓶颈,或许无法如期进入大规模量产阶段。

  此前,国际知名移动芯片厂商高通将旗下的骁龙888芯片交由三星使用其5nm芯片制程工艺代工,但其表现却很让人失望,在性能方面,高通骁龙888芯片采用的A78架构远远高于华为采用的过时架构A77,但在性能方面却未能明显超越华为,并且在功耗方面甚至不如对方,骁龙888的能耗比华为麒麟9000低了有40%,从此,高通的骁龙888芯片也就有了个别名——“火龙”,对此,人们普遍认为问题出在了三星的5nm制程工艺上。

  而目前在芯片制程工艺上居于首位的台积电也陷入了困境之中,在今年1月份的时候,台积电决定将公司今年的资本支出增加到220亿美元,全面备战全新3nm芯片制程工艺,加紧在该工艺方面的进度。据悉,台积电的3nm芯片制程工艺不仅晶体管密度提升了70%,性能提升了15%,而且功耗更低。并且,苹果作为台积电的首要客户,早就预先承包了台积电3nm制程的初期产能。

  按理来说,在技术领先、产能、和订单数量又很充足的情况下,台积电本该迎来营收高峰,但是,台积电的关键技术3nm芯片制程工艺在研发和量产方面却出现了问题。

  为了稳妥起见,台积电的3nm芯片制程工艺使用的是保守的FinFET技术,但即便如此,台积电对于3nm制程的开发依然不是很顺利,据悉,为了开发3nm工艺,台积电已经投入了2万亿新台币(折合人民币4620亿元)。台积电本原本预定能在2021年第四季度实现量产3nm,但现在台积电又改口说将在2022年下半年进行量产,至于以后是否还会继续改口,就不得为知了。

  随着芯片制程工艺越来越接近摩尔定律的物理极限,其开发难度也越来越大,即使是在芯片制程工艺上深耕了如此长时间的台积电和三星依旧陷入了困境,人类想要继续维持摩尔定律向前发展,任重而道远。

  结语

  虽然现在的半导体领域似乎陷入了困境,先进制程频频出现问题,但如今IBM已经成功研发出来了2nm芯片制程工艺,这将为全球的半导体领域注入新的活力,并促进整个半导体行业的发展,或将给台积电与三星带来新的思路。

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