數十年來，每一代芯片的速度越來越快且更加省電，因為其最基本元素——晶體管變得越來越小，這令芯片單位面積克容納的晶體管數目越來越多。晶體管的作用就像一個電子開關，在所有現代計算的基礎上形成二進制數字1和0。把“開關”做得非常小，會讓它們更快、更省電，但這也會導致一些問題，如電子泄漏。

　　相關制造工藝的提升可以改善這一狀況，雖然工藝升級速度已經放緩，但本周四（5月6日）國際商業機器(IBM)表示，半導體工藝至少還可以向前推進一代。

　世界首個2nm芯片，采用GAA工藝

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

納米晶圓近照

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

　　IBM研究室主任達里奧·吉爾（Darío Gil）稱：“歸根結底還是晶體管，計算領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一代又一代地向前發展，因此，每當有更先進的晶體管出現時，這都是件大事。”

　比7nm快45%，能效高75%

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

（圖自：AnandTech）

　　不過，芯片制造工藝從研發到投入市場可能需要花上數年時間，IBM的2納米制造工藝離真正量產還有一段距離。就像2015年時，IBM 曾宣佈其 7納米工藝試產成功，但一直到2020年8月才推出第一個商用產品；2017年他們也率先發布了5納米芯片，但量產一直沒有下文。所以2納米對于 IBM 來說，宣傳推廣的意義更大。

　　IBM曾經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），如今已經把量產芯片工作委托給了三星電子。不過，IBM與格芯簽署了10年合作協議，仍保有紐約州奧爾巴尼（Albany）的芯片制造研發中心進行芯片試產，另一方面IBM也與三星、英特爾簽訂聯合技術開發協議，兩家公司可以使用IBM的芯片制造技術。

　　比起當前最尖端的5納米芯片，2納米芯片的體積會更小、速度也會更快。目前臺積電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納米之后的下一個技術節點為4納米或3納米，臺積電和三星都預計明年開始量產。英特爾這邊的 7納米要等到 2023 年才投產，還是慢了一步了，不過英特爾的工藝技術定義上，對晶體管密度要求更高，因此他們的7納米性能約介于臺積電的 5納米與4納米之間。

　　關于IBM這次采用的GAA晶體管技術，三星3納米、英特爾5納米以及臺積電2納米均將首次采用。

　　不過前些年炒得火熱的“幾納米”，已因為芯片由 2D 平面向著3D結構的發展，而失去了原有的意義。以前工藝數字越小，可能代表著零組件的尺寸可以做到越小，而現在的5納米、3納米更多只是一種“換代”概念。