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IBM(IBM.US)造出首颗2nm芯片,台积电、GAA工艺将受何种影响?

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IBM(145.46,-1.32,-0.90%)(IBM.US)站到世界的最前沿,芯片产业迎来又一个里程碑,摩尔定律再次被拯救,这就是2021年5月6日,全球芯片产业界所发生的事。  

当日,IBM于官网宣布推出全球首创的2纳米芯片技术,“为半导体领域开辟了新的领域”。当下,业内只有台积电(116.83,-0.17,-0.15%)(TSM.US)、三星实现了3nm制程芯片的研发,且尚未实现量产,2nm芯片确为业界首创。根据媒体披露的情况来看,IBM2nm芯片的晶体管密度可以达到每平方毫米3.33亿个(MTr/mm2)。同时,从IBM官网披露的图片来看,该2nm芯片采用了GAA(Gate-All-Around,环绕栅极晶体管)工艺,也为该项工艺后续的普及打下了坚实的基础。

由媒体整理的晶体管密度对比参考  

从3nm到2nm,GAA才是这一事件的核心  

2nm芯片研制成功,意味着各项指标都会出现大幅提升。IBM对外表示:“与当今最先进的7nm节点芯片相比,预计它将实现45%的性能提高或75%的能耗降低。”公告同时贴出了更加具体的潜在性能优势对比:  

手机电池寿命增加三倍,仅要求用户每四天为设备充电一次。  

削减数据中心的碳足迹(指由个人、事件、组织、服务或产品造成的温室气体总排放量),这些数据中心占全球能源使用量的百分之一;  

更快地处理应用程序,更快地访问互联网,极大增强笔记本电脑的功能。  

有助于自动驾驶汽车加快物体检测速度,降低反应时间。以上性能提升和能耗降低指标,对于整个半导体行业而言,都是非常重要的创新和飞跃。但相对于产业界来说,却仍然是个短时间内无法企及的美好梦想。  

首先,研制成功不等于量产成功。前ARM公司基础设施事业线高级产品经理、某大厂前高级产品经理邵巍博士表示:“在IBM(发布)的新闻中,没有提到良率问题,因此整个业界什么时候能够真正用上2nm的制程,还需要等待量产的消息。”  

此外,“新闻中也漏掉了常见的客户背书环节,因此推测一下,暂时还无客户。在无客户的情况下,很难推测从研制到量产需要多久”,邵巍博士补充道。  

况且,2nm芯片因工艺特殊,对光刻机的要求也更为苛刻。有消息称,荷兰ASML公司的全新一代光刻机预计到2025年量产,其NA值提升到0.5,很可能足以支撑2nm支撑芯片的量产。如果消息属实,意味着,到2025年产业界才具备2nm芯片的基础量产条件。  

相比之下,该芯片对GAA工艺的应用实践,反而更具意义。什么是GAA呢?NerissaDraeger博士在此前的一篇采访中形容的较为简洁易懂:“环绕栅极晶体管(GAA)是一种经过改良的晶体管结构,其中通(31.96,0.28,0.88%)道的所有面都与栅极接触,这样就可以实现连续缩放。”  

与GAA相对应的是FinFET(鳍式场效应晶体管),FinFET是芯片从22nm逐步进军7nm、5nm的关键工艺,其发明人胡正明教授因此被称作“挽救了摩尔定律的男人”。可在进入7nm以下后,FinFET逼近极限,产业界迫切需要新的工艺技术。这时,GAA出现了。  

三星对GAA极为推崇,但“老大哥”台积电则求稳不求快。去年8月,台积电对外表示,公司的3nm将继续沿用之前的FinFET,这也为GAA的落地、普及蒙上了一层阴影。此次IBM2nmGAA芯片的问世,等于彻底打通了从3nm到2nm的路径。此前,人们还在犹豫:GAA能否替代FinFET?如今,这样的疑问随着2nm芯片的问世烟消云散。  

“这是一个大进步,对于整个半导体业界来说,算是对GAA技术的双保险,至少工艺制程演进到3nm/2nm不存在太多障碍了,可喜可贺。”邵巍博士在采访中高兴地说道。  

台积电、三星、英特尔(57.67,0.48,0.84%)(INTC.US)的三强之争  

IBM本身并不具备量产芯片的条件和能力,其2nm芯片会通过授权的形式,交给高端芯片代工厂商来完成。这本来不是什么了不得的事,仅仅是产业链分工细化的表现。但对于台积电而言,事情就没那么简单了。  

台积电(TSMC)创始人张忠谋在“2021大师智库论坛”曾表示,台积电最大的竞争对手仍然是三星。而双方也确实在3nm芯片这一阵地剑拔弩张。据媒体报道,三星曾对外宣布未来10年投资超1000亿美元,目标到2025年在芯片制造领域内保持领先。  

不过现实往往不遂人愿,虽然三星自称在2002年就对GAA保持关注并投入研究,但其3nmGAA芯片的量产至今仍无确切时间。反观台积电,3nmFinFET芯片预计2022就可以实现量产,2nmGAA芯片也在研制中。看样子,台积电还将稳坐全球芯片代工第一的宝座。  

但此时与三星保持良好合作关系的IBM,突然宣布2nmGAA芯片研制成功,将局势逆转,对台积电的既定规划造成了冲击。  

除了三星,英特尔也很可能参与到代工生产中来,况且英特尔入局代工生意本就属于“突袭”,此前英特尔新任CEO帕特・基辛格更是宣称2年内超越台积电。  

竞争更加激烈,局势更加复杂,这就是台积电面对的未来市场。  

好在台积电的真正命脉在于苹果(130.21,0.69,0.53%)、高通(137.85,1.85,1.36%)的大笔订单。只要做好小步快跑,短期内并不会因为IBM2nm芯片的出现收到较大冲击。“大家(代工厂商与客户)一般都会提前对齐3-5年的目标,苹果不会介意2nm/3nm这种名字,对齐的都是跟细节的参数”,邵巍博士对InfoQ记者说道,“苹果(AAPL.US)那个产能需求量,谁接了单,都得加工厂、加生产线,至少提前2年。”  

对于台积电而言,真正的战役可能不在当下,而是在未来的3-5年内,与“挑战者”三星来一场针尖对麦芒的比拼。


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