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　　數(shù)十年來，每一代芯片的速度越來越快且更加省電，因?yàn)槠渥罨驹亍w管變得越來越小，這令芯片單位面積克容納的晶體管數(shù)目越來越多。晶體管的作用就像一個(gè)電子開關(guān)，在所有現(xiàn)代計(jì)算的基礎(chǔ)上形成二進(jìn)制數(shù)字1和0。把“開關(guān)”做得非常小，會(huì)讓它們更快、更省電，但這也會(huì)導(dǎo)致一些問題，如電子泄漏。

　　相關(guān)制造工藝的提升可以改善這一狀況，雖然工藝升級(jí)速度已經(jīng)放緩，但本周四（5月6日）國際商業(yè)機(jī)器(IBM)表示，半導(dǎo)體工藝至少還可以向前推進(jìn)一代。

　世界首個(gè)2nm芯片，采用GAA工藝

　　IBM發(fā)布了業(yè)界首個(gè)2納米芯片制造工藝，他們號(hào)稱在 150mm2 的面積中（約指甲蓋大小）塞入了 500 億個(gè)晶體管，平均每平方毫米是 3.3 億個(gè)。作為比較，臺(tái)積電和三星的 7納米工藝大約在每平方毫米 9,000 萬個(gè)晶體管左右，三星的 5LPE 為 1.3 億個(gè)晶體管，而臺(tái)積電的 5納米則是 1.7 億個(gè)晶體管。

納米晶圓近照

　　據(jù)IBM介紹，他們的2納米工藝采用三層GAA（環(huán)繞柵極晶體管）技術(shù)，這是第一次使用底介電隔離通道，它可以實(shí)現(xiàn)12納米的柵長，其內(nèi)部間隔是第二代干法設(shè)計(jì)，有助于納米片的開發(fā)。這也是第一次使用EUV曝光FEOL部分過程。

　　IBM研究室主任達(dá)里奧·吉爾（Darío Gil）稱：“歸根結(jié)底還是晶體管，計(jì)算領(lǐng)域的其他一切都取決于晶體管是否變得更好。但不能保證晶體管會(huì)一代又一代地向前發(fā)展，因此，每當(dāng)有更先進(jìn)的晶體管出現(xiàn)時(shí)，這都是件大事?！?/p>

　比7nm快45%，能效高75%

　　IBM表示，采用2納米工藝制造的處理器，可以比現(xiàn)在許多筆記本電腦及手機(jī)所使用的主流7納米處理器速度提升45%，能效提高75%。也就是說，其2納米架構(gòu)可以在與現(xiàn)有的 7納米相同的性能下，只使用 25% 的電力，以現(xiàn)代智能手機(jī)為例，可能四天才需要充一次電。而在筆記本電腦、自動(dòng)駕駛等隊(duì)能耗不敏感的使用場(chǎng)景下，則能帶來更高的算力。其他使用場(chǎng)景包括數(shù)據(jù)中心、太空探索、人工智能、5G、6G 乃至于量子計(jì)算。

（圖自：AnandTech）

　　不過，芯片制造工藝從研發(fā)到投入市場(chǎng)可能需要花上數(shù)年時(shí)間，IBM的2納米制造工藝離真正量產(chǎn)還有一段距離。就像2015年時(shí)，IBM 曾宣佈其 7納米工藝試產(chǎn)成功，但一直到2020年8月才推出第一個(gè)商用產(chǎn)品；2017年他們也率先發(fā)布了5納米芯片，但量產(chǎn)一直沒有下文。所以2納米對(duì)于 IBM 來說，宣傳推廣的意義更大。

　　IBM曾經(jīng)是主要的芯片制造商之一，但在2014年將其制造工廠賣給了格芯（Globalfoundries），如今已經(jīng)把量產(chǎn)芯片工作委托給了三星電子。不過，IBM與格芯簽署了10年合作協(xié)議，仍保有紐約州奧爾巴尼（Albany）的芯片制造研發(fā)中心進(jìn)行芯片試產(chǎn)，另一方面IBM也與三星、英特爾簽訂聯(lián)合技術(shù)開發(fā)協(xié)議，兩家公司可以使用IBM的芯片制造技術(shù)。

　　比起當(dāng)前最尖端的5納米芯片，2納米芯片的體積會(huì)更小、速度也會(huì)更快。目前臺(tái)積電5納米工藝只用在蘋果M1、A14處理器和華為海思麒麟9000等高端芯片上，三星的 5LPE也只用在驍龍 888 芯片上。

　　5納米之后的下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)為4納米或3納米，臺(tái)積電和三星都預(yù)計(jì)明年開始量產(chǎn)。英特爾這邊的 7納米要等到 2023 年才投產(chǎn)，還是慢了一步了，不過英特爾的工藝技術(shù)定義上，對(duì)晶體管密度要求更高，因此他們的7納米性能約介于臺(tái)積電的 5納米與4納米之間。

　　關(guān)于IBM這次采用的GAA晶體管技術(shù)，三星3納米、英特爾5納米以及臺(tái)積電2納米均將首次采用。

　　不過前些年炒得火熱的“幾納米”，已因?yàn)樾酒?2D 平面向著3D結(jié)構(gòu)的發(fā)展，而失去了原有的意義。以前工藝數(shù)字越小，可能代表著零組件的尺寸可以做到越小，而現(xiàn)在的5納米、3納米更多只是一種“換代”概念。