IBM發(fā)布的真的是2nm芯片嗎？

電子工程世界EEWorld

2021年5月11日 10:58

眾所周知，IBM最近發(fā)布了2nm芯片，按照他們的說法，這個(gè)芯片的密度為3.33億個(gè)晶體管/平方毫米（MTx / mm 2）；柵極長度為12nm的44nm接觸式多節(jié)距（CPP）；基于IBM正在使用水平納米片（HNS）的橫截面，Gate All Around（GAA）可以采用多種方法進(jìn)行GAA； HNS疊層構(gòu)建在氧化物層之上；與最先進(jìn)的7nm芯片相比，性能提高45％，功耗降低75％； EUV圖案用于前端，可讓HNS片材寬度在15nm至70nm之間變化。這對于調(diào)整電路的各個(gè)區(qū)域以實(shí)現(xiàn)低功耗或高性能以及SRAM單元非常有用； sheet為5nm厚，堆疊為三層高。

但這真的是“ 2nm”嗎？臺(tái)積電是目前生產(chǎn)工藝技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。我們繪制了TSMC節(jié)點(diǎn)名稱與晶體管密度的關(guān)系圖，并擬合了0.99 R2值的曲線，見圖1。

使用曲線擬合，我們可以將晶體管密度轉(zhuǎn)換為TSMC等效節(jié)點(diǎn)（TEN）。使用曲線擬合，對于IBM宣布的333MTx / mm 2，我們得到2.9nm的TEN 。我們認(rèn)為這使公告成為3nm節(jié)點(diǎn)，而不是2nm節(jié)點(diǎn)。

為了更詳細(xì)地將IBM公告與之前宣布的3nm工藝和預(yù)計(jì)的2nm工藝進(jìn)行比較，我們需要進(jìn)行一些估算。

從公告中我們知道CPP為44nm。我們假設(shè)一個(gè)單擴(kuò)散中斷（SDB）將導(dǎo)致最密集的過程。

查看公告中的橫截面，我們看不到埋入式電源導(dǎo)軌（BPR），需要BPR才能將HNS軌道高度降低到5.0，因此我們假設(shè)該過程為6.0。

為了達(dá)到333MTx / mm 2，最小金屬間距必須為18nm，這是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的值，可能需要EUV多圖案。

IBM 2nm與晶圓代工廠的3nm

圖2將IBM 2nm設(shè)計(jì)與我們對三星和臺(tái)積電3nm工藝的估計(jì)進(jìn)行了比較。我們知道三星也在制造HNS，而臺(tái)積電則選擇了3nm的FinFET。三星和臺(tái)積電都宣布將3nm工藝的密度提高，因此我們知道這三家公司的晶體管密度，并且可以計(jì)算出這三家公司的TEN。如前所述，IBM的TEN為2.9，我們現(xiàn)在看到三星的TEN為4.7，臺(tái)積電的TEN為3.0，再次證明IBM 2nm就像臺(tái)積電3nm，而三星則落后于臺(tái)積電。

估計(jì)圖2中紅色的數(shù)字達(dá)到了宣布的密度。我們假設(shè)所有公司均為SDB。臺(tái)積電的 track height最小，因?yàn)镕inFET可以不帶BPR地達(dá)到5.0的 track height，但是HNS需要BPR才能達(dá)到5.0，而BPR尚未準(zhǔn)備好。

IBM 2nm和晶圓廠的2nm

如圖3，我們還預(yù)測了三星和臺(tái)積電2nm工藝。我們預(yù)計(jì)兩家公司都將使用BPR（BPR尚未準(zhǔn)備好，但很可能是三星和臺(tái)積電在2023/2024左右推出2nm工藝時(shí)搞定）。我們還假設(shè)三星和臺(tái)積電將利用forksheet NHS，HNS（FS）架構(gòu)能達(dá)到4.33的track height ，從而放松了其他一些微縮要求，然后根據(jù)該公司最近的微縮趨勢預(yù)測了CPP和MMP。

功耗與性能

在今年的ISS上，我通過一些附加的英特爾性能數(shù)據(jù)，按節(jié)點(diǎn)估算了三星和臺(tái)積電的相對功耗和性能。逐節(jié)點(diǎn)趨勢是基于兩家公司宣布的功率和性能縮放估計(jì)與14nm / 16nm的可用比較得出的。

由于IBM將其功耗和性能改進(jìn)與領(lǐng)先的7nm性能進(jìn)行了比較，因此我可以將IBM的功率和性能放在我先前介紹的相同趨勢圖上，見圖4。

IBM對HNS的使用大大降低了功耗，并使2nm制程比三星或臺(tái)積電（TSMC）的3nm制程更省電，盡管我們相信，一旦臺(tái)積電在2nm上采用HNS，它們在功耗上將與IBM相同或更好。為了提高性能，我們估計(jì)臺(tái)積電的3nm工藝將勝過IBM 2nm工藝。

正如ISS文章中所討論的那樣，這些趨勢僅是估計(jì)值，并基于許多假設(shè)，但這是我們可以匯總的最佳預(yù)測。

由此可見，在分析了IBM的公告之后，我們認(rèn)為從密度的角度來看，他們的“ 2nm”工藝更像是TSMC的3nm工藝，雖然功耗更高但性能卻較差。IBM的聲明令人印象深刻，但它是一種研究設(shè)備，與臺(tái)積電的3nm制程相比，只有明顯的優(yōu)勢，而臺(tái)積電3nm的風(fēng)險(xiǎn)將在今年晚些時(shí)候開始，并于明年開始量產(chǎn)。

我們進(jìn)一步相信，當(dāng)臺(tái)積電工藝在2023/2024左右投產(chǎn)時(shí)，它將在2nm的密度，功耗和性能方面處于領(lǐng)導(dǎo)地位。

IBM推出的2nm芯片的重要意義

IBM在新聞稿中表示，新工藝將在指甲大小的芯片上生產(chǎn)約500億個(gè)晶體管。它還將帶來比今天的7納米芯片高出75％的效率或快45％的芯片。

從表面上看，IBM似乎在頂級芯片技術(shù)的競爭中躍居了遙遙領(lǐng)先的地位。英特爾的最新芯片使用10納米工藝，而臺(tái)積電則使用7納米工藝。該公司在這里取得了一些非常出色的成就。但是比較芯片很復(fù)雜。因此，值得更多地剖析新聞，以更好地了解大局。

納米到納米是蘋果到橙子

長期以來，計(jì)算機(jī)芯片的進(jìn)步一直以納米級的步伐進(jìn)行衡量。每一步降低都會(huì)產(chǎn)生更多的組件（最著名的是晶體管）被封裝到同一區(qū)域中。在過去的幾十年中，有一段時(shí)間納米命名法確實(shí)與某些芯片元件的尺寸匹配。但是那段時(shí)間已經(jīng)過去了。隨著芯片技術(shù)的進(jìn)步，對芯片組件的測量與每一代的命名約定分離。

十多年前，當(dāng)芯片成為FinFET的最后一次重大飛躍時(shí)（形狀像鰭的3D晶體管設(shè)計(jì)），該行業(yè)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量幾乎毫無意義。

它與芯片上的任何尺寸都沒有關(guān)系。當(dāng)前正在爭論哪種新數(shù)字或數(shù)字組合可以更好地反映進(jìn)度。并且盡管這也被證明相當(dāng)復(fù)雜，但一位規(guī)范專家提出的是每平方毫米的晶體管密度。

要了解舊的命名約定如何造成混淆，請將英特爾的10納米芯片與臺(tái)積電的7納米芯片進(jìn)行比較。兩者實(shí)際上具有大致相等的晶體管密度，英特爾的每平方英寸1億個(gè)晶體管實(shí)際上要比臺(tái)積電的每平方毫米9千1百萬個(gè)晶體管小。（如下圖有一個(gè)方便的表格，用于比較工藝尺寸和芯片的晶體管密度。）

IBM沒有明確宣布其芯片的晶體管密度。但是在伸手弄清楚他們指的是什么尺寸的“指甲”之后（該公司的代表說大約為150平方毫米），該出版物AnandTech計(jì)算出IBM的新工藝每平方毫米將產(chǎn)生約3.33億個(gè)晶體管。的確，這超出了現(xiàn)在已經(jīng)生產(chǎn)中的任何芯片。也就是說，臺(tái)積電為蘋果生產(chǎn)的3納米芯片每平方毫米可以擁有近3億個(gè)晶體管，并有望在明年投入生產(chǎn)。

納米片：摩爾定律的下一步？

也許更重要的消息是晶體管本身的設(shè)計(jì)。IBM的新技術(shù)被稱為納米片或全能門晶體管，是當(dāng)今FinFET晶體管期待已久的后續(xù)產(chǎn)品。自2017年以來，該公司一直在研究這項(xiàng)技術(shù)。

FinFET晶體管由一個(gè)鰭形溝道組成，該溝道在三側(cè)被“門”圍繞，該“門”控制電子的流動(dòng)。但是，IBM的納米片（或全能門）晶體管具有分層的通道。這些層被堆疊在彼此的頂部上，并且由柵極包圍上所有側(cè)面。最后一點(diǎn)是最關(guān)鍵的部分。環(huán)繞柵晶體管可更好地控制通過溝道的電流，防止泄漏并提高效率。

麻省理工學(xué)院專門研究新型晶體管技術(shù)的教授Jesúsdel Alamo告訴《連線》雜志：“這是一項(xiàng)令人興奮的技術(shù)。” “這是一個(gè)全新的設(shè)計(jì)，可以推動(dòng)未來的芯片路線圖。” 盡管IBM可能是第一個(gè)在此級別上展示該技術(shù)的公司，但它們可能不會(huì)是最后一個(gè)。三星和臺(tái)積電可能會(huì)效仿。

現(xiàn)在要對現(xiàn)在的生產(chǎn)芯片和使用IBM新晶體管的未來芯片進(jìn)行認(rèn)真的性能比較還為時(shí)過早，但是可以肯定地說它們將提供顯著的改進(jìn)。分析公司VLSI Research的首席執(zhí)行官Dan Hutcheson告訴《連線》，IBM估計(jì)的性能改進(jìn)實(shí)際上似乎是保守的，并將這項(xiàng)工作稱為“行業(yè)里程碑”。

下一代芯片

您什么時(shí)候可以購買帶有這些芯片之一的設(shè)備？可能不會(huì)。

盡管IBM仍在設(shè)計(jì)芯片，但它在2014年出售了其芯片制造業(yè)務(wù)。這項(xiàng)新技術(shù)來自其位于紐約州奧爾巴尼市的研究機(jī)構(gòu)，它是一個(gè)demo，而不是可用于生產(chǎn)的芯片。在未來的幾年中，IBM將完成該過程，屆時(shí)它可能會(huì)通過與英特爾和三星等合作伙伴的許可協(xié)議進(jìn)入生產(chǎn)芯片。

該行業(yè)在此期間不太可能會(huì)停滯不前。目前，芯片行業(yè)正在復(fù)興。

不再僅僅花費(fèi)數(shù)十億美元從傳統(tǒng)芯片上擰干幾滴。充滿活力和創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)煥發(fā)了活力，并為特殊目的（如AI）帶來了一系列奇特的設(shè)計(jì)。其中大部分發(fā)生在大公司之外。

多年來，風(fēng)險(xiǎn)資本再次涌入新興芯片公司，實(shí)際上，僅在2020年，就有超過120億美元流入了400多家芯片公司。

因此，即使在今年的芯片缺貨嚴(yán)重，但季風(fēng)似乎仍在聚集。

來源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察