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IBM發表2奈米晶圓製造技術 預計2024年投產

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科技產業資訊室 (iKnow) - May 發表於 2021年5月7日

圖、IBM發表2奈米晶圓製造技術
資料來源:IBM Research,2021/5
 
2021年5月6日,IBM公佈了2奈米半導體設計和製程,採用GAA(全環繞柵極晶體管)架構,其宣稱2nm與當今最先進的7 nm節點晶片相比,預計將提高45%的性能及降低75%的能耗;對筆電、自駕車可能帶來更高的運算力,其他受惠應用包括:資料中心、太空探索、人工智慧、5G、6G及量子運算。
 
IBM Research副總裁Mukesh Khare表示,2nm晶圓代工技術的投產目標時間是2024年末。IBM Research重點介紹了以下關鍵技術推動因素:
  • 底部電介質隔離–減少了將柵極長度擴展至12nm所需的洩漏電流。
  • 第二代內部墊片乾燥製程可實現精確的澆口控制。
  • 前端啟用了極紫外(EUV)微影技術,可產生從15nm到70nm的可變奈米片寬度。
  • 新穎的Multi-Vt方案–為從低功耗行動手機到HPC伺服器晶片的應用程序,實現閾值電壓控制。
IBM的2 nm晶片的潛在優勢可能包括:
  • 手機電池壽命增加三倍,僅要求用戶每四天為設備充電一次。
  • 減少數據中心的碳足跡約占全球能源使用量1%,也就是將其所有伺服器改以基於2 nm的處理器,可能會大大減少能源使用量。
  • 加速處理筆記型電腦的功能,從App應用程式到語言翻譯,可以更快地連結上網。
  • 有助於自動駕駛汽車對物體檢測和反應時間更快。
IBM Research表示,自2015年宣布7nm節點以來,就一直在使用EUV,2nm技術的所有關鍵層都將使用單曝光EUV,在減少週期時間和減少缺陷方面都將具有顯著的效益。如圖所示,奈米節點的晶體管具有三層奈米片,每片的寬度約為40nm,高度約為5nm。間距為〜44nm,柵極長度為〜12nm。
 
由於,晶片由2D平面轉向3D發展,所謂的「幾奈米」已失去真正意義,最多僅是一種「換代」的概念罷了。IBM號稱其2 nm晶片有500億個電晶體,或許是個亮點且比較有意義的比較基準點。IBM 的2奈米製程號稱在150mm²(每平方公厘)面積中塞入500億個電晶體,平均每平方公厘是3.3億個;而台積電和三星的7奈米製程大約是9,000 萬個電晶體左右,三星 5LPE為1.3億個電晶體,而台積電的5奈米則有1.7億個電晶體。
 
半導體晶圓製造是高資金及高技術的高門檻行業,IBM在先進半導體製程技術研發,必須找到願意買單的合作夥伴,否則很難支撐其後續研發投入。所以,IBM強調其合作夥伴生態系統,包括新加入的研發合作夥伴英特爾以及三星(正在製造IBM即將推出的7nm Power10晶片)。也就是,IBM六年前發布7nm製程技術,找到新買家英特爾以及三星,他們首次的商業產品用於Power10中,預定於今年(2021)底前首次亮相。而這次剛發表2nm,預計2024年底投產。

隨著IBM驗證2奈米採用GAA的可行性,台積電預計2奈米製程改採GAA也將加速開發與量產進度。其實,台積電3奈米製程仍將持續採用鰭式場效電晶體(FinFET)架構,預計2奈米才會改採GAA架構。(720字;圖1)
 

參考資料:
IBM Unveils World's First 2 Nanometer Chip Technology, Opening a New Frontier for Semiconductors. IBM, 2021/5/6.  
IBM Research Debuts 2nm Test Chip with 50 Billion Transistors. HPC Wire, 2021/5/6. 
IBM 打造了世界首個「2nm 製程」晶片。Yahoo新聞,2021/5/6。  


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