IBM 的 2 奈米晶片製程，是噱头还是真的？

2 奈米晶片真的来了？IBM 宣布推出全球首个 2 奈米晶片製造技术引起注意。与 7 奈米技术相比，预计带来 45% 性能提升或 75% 能耗降低，比起最先进的 5 奈米晶片，2 奈米晶片体积更小、速度更快。

IBM 表述意味：

手机的电池寿命延长 3 倍，用户只充电一次可用 4 天。贡献碳中和。网路体验更好。赋能自动驾驶，缩短响应时间。IBM 2 奈米晶片製程可不好生产

台积电 5 奈米晶片每平方公釐约 1.73 亿个电晶体，三星 5 奈米晶片每平方公釐约有 1.27 亿个电晶体管。这样对比，IBM 2 奈米电晶体管密度达台积电 5 奈米 2 倍。英特尔 7 奈米电晶体管密度超越台积电 5 奈米，也超过三星 7 奈米，因此业界人士表示 IBM 2 奈米晶片规格强于台积电 3 奈米。

每平方公釐有约 3.33 亿个电晶体的 IBM 新型 2 奈米晶片，可不好生产。IBM 表示採用 2 奈米製程的测试晶片可在一块指甲大晶片塞入 500 亿个电晶体，2 奈米小于人类 DNA 单链宽度。

从上图可见，IBM 新型 2 奈米晶片採用奈米片堆叠的电晶体，有时也称为 gate all around 或 GAA 电晶体。

IBM 3 层 GAA 奈米片，每片奈米片宽 40 奈米，高 5 奈米，间距 44 奈米，栅极长度 12 奈米。IBM 表示，晶片首次使用底部电介质隔离，达成 12 奈米栅极长度，可以减少电流洩漏，有助于减少晶片功耗。

晶片另一个新技术就是 IBM 的内部空间乾燥製程，有助奈米片开发。且晶片广泛使用 EUV 技术，例如晶片过程前端图案化 EUV，不仅中间和后端。这技术最终可让製造 2 奈米晶片步骤比 7 奈米少，促进晶圆厂发展，也可降低部分成品晶圆成本。

最后，2 奈米晶体管的阈值电压（上表 Vt）可根据需要增大和减小，如手持设备电压较低，百亿级电脑 CPU 的电压较高。IBM 并未透露 2 奈米技术是否採用硅锗通道，但显然有可能。

谁能帮 IBM 打造 2 奈米？

这么强悍的晶片当然涉及生产。IBM 能自己解决吗？早期 IBM 有深厚技术积累，如 32 奈米节点 AMD 使用的 SOI 製程也来自 IBM 合作研发。

IBM 曾拥有晶圆厂，Power 处理器就是自产自销。后期因业务调整，2014 年将晶圆业务技术专利卖给格罗方德。2018 年 8 月，格罗方德宣布无限期停止 7 奈米製程投资研发，专注现有 14 / 12 奈米 FinFET 製程及 22 / 12 奈米 FD-SOI 製程，随后 AMD 宣布将 CPU 及 GPU 全面转向台积电，当时业界纷纷表示 IBM 很受伤。

如今 IBM 没有代工厂。

目前台积电和三星正在生产 5 奈米晶片，英特尔致力 7 奈米晶片技术。按投产进度来看，台积电计划年底开工投产 4 奈米晶片，大量生产要等到 2022 年；3 奈米晶片技术投产进程预计更晚，要到 2022 下半年；2 奈米晶片技术更处于相对早期开发阶段。

时间推算也是在半导体公司不拖延下的假设。关于 3 奈米製程，业界表示将于今年试产，2022 年量产大概率可以量产。那么 2 奈米呢？2020 年 9 月，经济日报曾报导，台积电宣布 2 奈米製程获得了重大突破，当时供应链预计 2023 下半年可望进入风险性试产，2024 年正式量产。

GAA 技术採用方面，三星 3 奈米导入 GAA。关于 GAA 製程，2019 年 5 月，当时 SFF（Samsung Foundry Forum）美国分会，三星就表示今年推出基于 3 奈米 GAA 製程的产品，并表示产品性能提高 35%、功耗降低 50%、晶片面积缩小 45%。

三星公布消息时引起轰动，毕竟英特尔 10 奈米还没量产，三星 3 奈米就要来了。台积电要到 2 奈米才会导入 GAA 技术。相比三星，台积电切入 GAA 製程较晚，虽然这与台积电本身 FinFET 巨大成功有一定的关係，但可能更多原因在于若採用新製程，从决定採用到最终实现量产，需要耗费较长时间。

如今 IBM 将大多数晶片生产外包给三星，包括 Power 10 服务器处理器，IBM 在美国纽约州奥尔巴尼仍保留一处晶片研发中心，负责晶片研发和测试，并与三星和英特尔签署联合技术开发协议。有媒体表示，IBM 此次 2 奈米晶片製程正在这个研发中心设计和製造。

2015 年，IBM 研发出了 7 奈米原型晶片，2017 年，IBM 又全球首发 5 奈米原型晶片。据报导，这些都是 IBM 与三星、格罗方德等几家公司共同合作研发的成果，格罗方德 2018 年放弃 7 奈米，业界分析，大概 IBM 会找三星代工。

三星真是 2 奈米赢家吗？

随着製程发展，有能力製造先进节点晶片的公司不断减少。关键原因是新节点成本越来越高，例如台积电最先进 300 微米晶圆厂耗资 200 亿美元。

7 奈米以下，静态功耗再次成为严重的问题，功耗和性能优势也开始减少。过去晶片製造商可以预期晶体管规格微缩为 70%，相同功率下性能提高 40%，面积减少 50%。现在性能提升在 15%~20%，就需要更複杂流程，新材料和不一样的製造设备。

为了降低成本，晶片製造商开始部署更异构的新架构，并对最新製程节点晶片越来越挑剔。儘管 GAA 带来性能和功耗降低，但成本非常高。

市场研究机构 International Business Strategies（IBS）数据显示，28 奈米製程成本为 0.629 亿美元，5 奈米将暴增至 4.76 亿美元。三星也表示 3 奈米 GAA 成本可能会超过 5 亿美元。

台积电 2 奈米切入 GAA 同样可能有资金考量。台积电近年研发费用佔营收费用 8%~9%，营收逐年增加，研发费用也增多。对三星而言，如果真为 IBM 代工，那或许可为三星技术追赶台积电打下基础。

不过 IBM 开发出 2 奈米晶片和 2 奈米晶片即将商用之间没有必然关联。回顾 IBM 进程：

10 奈米 2014 年研发成功，2017 年量产。7 奈米 2015 年研发成功，2018 年量产。5 奈米 2017 年研发成功，2020 年量产。

IBM 研究部高级副总裁兼总监 DaríoGil 表示："新型 2 奈米晶片体现的 IBM 创新对整个半导体和 IT 业相当重要。"部分业界人士表示"这就是吹牛"，也有人表示这不是噱头，IBM 真的有技术创新。"晶片製造方面，特别是大规模应用时，良率是重要指标。真厉害是高良率量产，这也是一般公司宣传先进技术时，总要附上客户名单的原因。"

这次 2 奈米研发成功，该多少年后量产呢？难说。但 2 奈米製程是否真成熟，研发成本真扛得住，製造晶片真能卖出去，还需要时间检验。

未来晶片突破 1 奈米，还会缩小到什么程度？

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