2纳米芯片问世，芯片性能要起飞？

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蓝色巨人崛起‌！

呢排，IBM宣布‌一条可以轰炸成个科技圈嘅消息，成功研发出‌全球首款2nm EUV工艺嘅半导体芯片。

IBM表示，同台积电嘅5nm相比，2nm芯片嘅晶体管密度几乎是前者嘅两倍，达到‌333.33 MTr/mm2，即每平方毫米可容纳3.3亿个晶体管。

讲嘅生动形象点，就是呢种技术可以喺人嘅指甲盖（大概150平方毫米）上安装500亿个晶体管。

按照IBM官方嘅说法，喺电力消耗统一嘅条件下，2nm相较于7nm性能高出45%，而喺同一输出性能下，2nm嘅功耗也会减少75%。

2nm芯片，IBM第一个实现量产？

众所周知，目前最先进且实现量产嘅芯片工艺为5nm，而台积电改良版嘅5nm EUV工艺将会喺2021下半年推出，有传言话，苹果嘅A15仿生芯片会搭载这项技术。

IBM宣布造出2nm芯片之前，呢间公司是没有10nm以下嘅工艺晶圆场嘅，而家出‌咁大一个新闻，系咪意味住IBM直接从10nm以上嘅制程工艺直接过渡到2nm呢？

当然唔系，因为IBM嘅2nm系喺位于纽约州奥尔巴尼嘅芯片制造研究中心做出来嘅，要知道实验室做出来嘅嘢同实现量产，两者之间嘅关系并唔对等。

通常情况下，工艺从实验室里出来，到正式量产商用，呢一过程需要芯片代工厂唔断提升晶圆嘅良率。所谓嘅晶圆良率，指嘅系最终完成所有测试嘅合格芯片同整片晶圆上嘅有效芯片嘅比值，晶圆良率越高，产出嘅芯片就会越多，废弃嘅芯片也就越少。简单点来讲，就是晶圆良率决定‌工艺成本。

如果工艺嘅晶圆良率好低，量产需要芯片代工厂投入更多嘅晶圆，成本随之增加，呢啲增加嘅成本会畀到厂商，产品嘅价格涨嘎啦，最终呢啲成本会叠加到消费者身上。

就目前来睇，IBM嘅2nm芯片还处于实验室阶段，距离量产商用还好遥远，即便解决‌晶圆良率问题，IBM而家也没有大规模实现量产芯片嘅能力，反倒是有可能将这项制程工艺交畀像台积电、三星咁样嘅芯片制作商进行代工。

点解咁说？因为IBM喺2014年将自己嘅晶圆厂卖畀‌格罗方德（一家位于美国加州硅谷桑尼维尔市半导体晶圆代工厂商），所以，而家嘅IBM可以说是“力唔从心”。

5nm工艺推出之前，业界采用嘅系FinFET（鳍式场效应晶体管）结构，同传统晶体管结构，只能喺闸门一侧控制电路连通同断开唔同，FinFET晶体管结构中嘅闸门类似鱼鳍嘅叉状，可以控制闸门两侧电路嘅连通和断开，进一步减少‌漏电嘅几率，同时，大幅缩短‌晶体管嘅栅长。

讲得通俗易懂点，就是传统嘅FET（场效应管）属于平面架构，只能控制一侧嘅电路，而FinFET则是3D立体架构，可以同时控制两侧电路。

当工艺演进到5nm后，FinFET结构已经无办法满足晶体管所需嘅静电控制，会出现严重嘅漏电问题。为此，三星率先采用‌GAA（环绕式栅极）嘅晶体管结构，并对3nm制程工艺嘅芯片进行研发。

唔凑巧嘅系，IBM嘅2nm制程工艺都系同样嘅GAA结构。唔过，GAA晶体管结构又可分为纳米线结构GAAFET和纳米片结构MBCFET，而IBM采用嘅系纳米片结构。

同纳米线结构相比，纳米片结构嘅接触面积更大，但唔利于片同片之间嘅刻蚀（通过化学或物理嘅方法去除硅片表面唔需要嘅部分）和薄膜生长（集成电路喺制造过程中需要喺晶圆片表面生长数层材质唔同、厚度唔同嘅薄膜）。

需要注意嘅系，IBM嘅2nm已唔再是指栅极长度（MOS管嘅最小沟道长度），而是等效成‌芯片上晶体管节点密度。因此，呢里嘅2nm只系一个命名代号，而非物理上嘅2nm。

另外，IBM表示，2nm制程工艺还用到‌第啲技术，例如为‌减少漏电和降低功耗嘅「底部电介质隔离」技术；可以精准门控嘅「内层空间干燥处理」技术；仲有用于图案薄膜或大部分晶片部分嘅「EUV光刻」技术。

说白嘎啦，IBM宣布2nm芯片，只是为‌「秀肌肉」罢嘎啦，想要引起外界更多嘅关注。

既然知道‌IBM 2nm是实验室产品，仲要无办法实现量产，噉样像三星和台积电咁样嘅元老级芯片制作商嘅2nm进展点样呢？

结合现有嘅消息来睇，台积电和三星嘅5nm均已实现量产。台积电计划今年下半年推出N5P工艺，也就是升级版嘅5nm工艺。到‌2022，台积电将量产4nm工艺，进一步扩大EUV嘅适用范围；2022下半年，台积电将量产3nm工艺。

至于2nm工艺，之前据台媒报道话，台积电预计会喺2024年实现2nm工艺嘅量产。

而三星这边暂时没有量产2nm工艺嘅消息，只是决定自家3nm工艺将采用GAA架构。

值得一提嘅系，由于IBM并没有量产2nm嘅能力，再加上佢同三星和英特尔有合作，如果IBM抢喺台积电和三星之前，解决‌晶圆良率问题，噉样2nm工艺最有可能让三星来代工。

喺成个半导体行业，只有晶圆良率提升到一定嘅程度，芯片才能实现大规模量产，然后再转化成产品来到消费者手中。所以，历代IBM制程工艺嘅研发都要早于台积电量产嘅时间。

举个例子，IBM喺2015年研发出‌7nm制程工艺，而台积电嘅7nm量产时间为2018年；再比如5nm制程工艺，IBM研发时间为2017年，台积电则系喺2020年才实现‌5nm工艺嘅量产。因此，IBM提前研发出2nm制程工艺，实属正常。

芯片制造技术可以睇作系一种点石成金嘅炼金术，只要能掌握这项核心技术，噉样便可以轻松控制上下游产业链。如果中国制造能够喺芯片领域获得新突破，并加入全球产业竞争内卷嘅话，呢对于国内嘅消费者嚟讲，绝对可以称得上系一件值得高兴嘅事。

唔过，从唔好嘅方面来睇，3nm制程工艺或者已经是突破「摩尔定律」嘅极限，因为硅嘅晶格常数是543pm，再往前是唔可能突破物理极限嘅，所以只能另辟蹊径，芯片厂商需要探索新嘅架构和设计。

本质上，IBM嘅2nm并没有突破物理极限，而是采用‌新嘅GAA架构，虽然可以通过增大晶体管节点嘅密度，来提升芯片嘅性能，但是呢种解决方案也唔系万能嘅，缺点也好明显（片同片之间刻蚀和唔利于薄膜生长）。如果稳唔到新嘅突破口嘅话，最坏嘅结果就是成个芯片行业可能会停滞唔前。

以5nm为例，苹果嘅A14仿生芯片采用嘅系台积电5nm制程工艺，而而家安卓旗舰搭载嘅骁龙888则是三星嘅5nm工艺，前者性能相较于上代提升并唔明显，甚至可以说是迫牙膏；后者发热严重，功耗翻车。综合来睇，5nm嘅实际表现仲未如7nm。

如果按照呢个思路继续往下推导嘅话，IBM嘅2nm可能没有想象中嘅那么好，往往理论并唔可以代表实际表现。