能研制2nm芯片为何IBM超越不了台积电

众所周知，在芯片制程方面，一直在向越来越小尺寸挺近，7nm、5nm是当下的主流，台积电和三星电子都在研制3nm制程技术，并且计划开始量产。近日我们看到，IBM宣布已经制造出全球首个2nm制程芯片。

据美国有线电视新闻网消息，IBM在5月6日宣布，已经制造出一种两纳米芯片，这是迄今研发的最小、最强大的芯片。众所周知，较低的数字意味着更小、更先进的处理器。IBM的新芯片使用两纳米加工技术，这对于用于从消费者的智能手机和电器到超级计算机和运输设备等各种产品的零部件来说，又是一次巨大的飞跃。

IBM的高层表示，新的两纳米芯片大约相当于在一个指甲大小上容纳500亿个晶体管，每个晶体管的大小相当于两个DNA链。相比于7nm芯片，2nm技术预计将提升45%的性能、并降低75%的能耗。

这次是IBM抢到了前面，不是台积电，也不是三星电子。不过，虽然IBM研制出2nm制程的芯片，但尚不具备量产的能力。台积电和三星的优势是可以量产出5nm制程的芯片，3nm制程的芯片量产也越来越近了。

IBM的2nm制程芯片采用的是纳米片结构。事实上，在芯片制造市场，普遍采用FinFET（鳍式场效应晶体管）结构，不过到了5nm后，这种结构难以满足晶体管所需的静电控制，出现严重的漏电现象。

在技术突破方面，三星率先采用了名为GAA（gate-all-around，环绕式栅极）的晶体管技术，开始研发3nm制程芯片，IBM的2nm制程所采用的技术，也同样是GAA。而GAA分为纳米线结构和纳米片结构两种。相比于纳米线结构，纳米片结构的长宽比较高，接触面积更大，但也更难控制片与片之间的刻蚀与薄膜生长。IBM的2nm芯片中，纳米片共有三层，每片纳米片宽40nm，高5nm，间距44nm，栅极长度12nm。

IBM虽然在实验室有非常强的技术优势，不过想要量产还有比较长的路要走。因为，一个工艺从实验室出来，到大规模量产，需要芯片代工厂不断提升晶圆良率。而这恰恰是横亘在每个代工厂面前的最大鸿沟。很多代工企业根本提升不了足够的晶圆良率，结果就造成制造难度太大。我们常说的晶圆良率，指完成所有工艺步骤后，测试合格的芯片的数量与整片晶圆上的有效芯片的比值。晶圆良率决定了芯片的工艺成本。如果良率太低，那么成本就太高了，得不偿失。

而且，IBM并没有大规模量产芯片的能力，不过可以找三星等代工企业来完成，IBM和三星也有合作的协议，未来或许由三星为其代工。对于三星来说，是不是存在着弯道超车，赶超台积电的机会？毕竟，我们知道台积电的3nm量产已经越来越临近了。虽然，三星也在做3nm的研制，不过，比台积电还是慢一个节拍。如今IBM在2nm制程上有了突破，那么是不是三星也可以借此实现技术超越，赶在台积电之前，实现最新制程的量产化？

如果2nm制程芯片可以量产的话，意味着什么？简单地看，就是手机的电池寿命可以延长三倍，用户只充电一次可以用四天；可以为碳中和做出更大的贡献；互联网的体验会更好；自动驾驶，响应时间会进一步被缩短。由于三星电子也是早早涉及到GAA技术，因此对于和IBM合作还是非常有机会的。

事实上，IBM将大多数芯片的生产已经外包给三星，包括Power10服务器处理器，IBM在美国纽约州的奥尔巴尼仍保留着一处芯片研发中心，此次发布的2nm芯片制程正是在这个研发中心设计和制造的。该中心负责对芯片进行研发和测试，并与三星和英特尔签署了联合技术开发协议。

此外，IBM之前的进程研发和量产之间的时间关系，或许我们对2nm制程的问世也有一个大致的预期。IBM的10nm技术，在2014年研发成功，到2017年量产；7nm技术，在2015年研发成功，到2018年量产；5nm技术，在2017年研发成功，2020年开始量产。可见在量产推进中有3年的时间差，也就是说2nm制程的量产或许要到2024年才可以实现。当然，如果三星能够提高良品率，那么这个时间或许也会被缩短，毕竟这也是三星超越台积电的一个契机，会不会加大推进力度，我们不妨拭目以待。