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          IBM全球首發(fā)2nm!3.33億晶體管/mm2,性能比7nm芯片高45%

          發(fā)布人:芯東西 時間:2021-05-09 來源:工程師 發(fā)布文章
          全球首個2nm芯片制造技術(shù)發(fā)布!IBM要與三星英特爾合作研發(fā)。

          編譯 |  溫淑
          編輯 |  心緣

          芯東西5月7日報道,昨日,美國科技企業(yè)IBM發(fā)布全球首個2nm制程芯片制造技術(shù)。

          目前該技術(shù)仍在概念驗證階段,可能還需幾年才能投入市場。路透社報道稱,IBM已與三星、英特爾簽署了聯(lián)合開發(fā)協(xié)議。


          從理論上來說,2nm制程芯片相比現(xiàn)有可量產(chǎn)的7nm、5nm制程芯片,在晶體管密度、性能、功耗等方面能實現(xiàn)大幅提升。

          IBM預計,2nm制程技術(shù)或能實現(xiàn)在“指甲蓋”大小的芯片上集成約500億晶體管;據(jù)國外科技媒體AnandTech報道,IBM 2nm制程或能在每平方毫米芯片上集成3.33億個晶體管。相比之下,臺積電5nm制程每平方毫米約有1.71億個晶體管,三星5nm制程每平方毫米約有1.27億個晶體管。

          性能和功耗方面,相比7nm芯片,2nm芯片的性能可提升45%、功耗有望降低75%。IBM并未說明對比的7nm芯片是由臺積電還是三星生產(chǎn)。




          用納米級絕緣材料防“漏電”,采用GAA工藝


          構(gòu)成芯片的基本單元晶體管,可被視作是控制電流的開關(guān)。隨著芯片制造制程漸趨先進,單個晶體管開關(guān)的“尺寸”越來越小,其對電流的控制能力受到影響,即使在關(guān)閉狀態(tài)下也可能發(fā)生“漏電”。這也是實現(xiàn)先進制程的一大難題。

          IBM高級副總裁兼IBM研究院(IBM Research)主管Darío Gil在接受路透社采訪時稱,IBM科學家通過使用幾納米厚的絕緣材料來阻止電流泄露,以解決上述問題。

          據(jù)國外科技媒體AnandTech報道,IBM并未說明其2nm芯片采用的具體工藝,但根據(jù)圖片推測應為三棧全柵極工藝(three-stack GAA)。目前,臺積電和三星在5nm和3nm節(jié)點均采用鰭式場效應晶體管(FinFET)結(jié)構(gòu),在3nm制程之后或?qū)⑥D(zhuǎn)向GAA工藝。IBM的三棧GAA工藝使用75nm的單元高度,40nm的單元寬度,單個納米片(nanosheet)的高度為5nm,納米片間距為5nm,柵間距(CPP)為44nm,柵極長度(gate length)是12nm。據(jù)IBM方面分享,2nm制程芯片首次采用了底部電阻隔離通道技術(shù)(bottom dieletric isolation channel),使12納米的柵極長度成為可能;其內(nèi)部隔離器則采用第二代干法工藝設計,有助于納米片的開發(fā)。此外,2nm制程芯片的基板工序(FEOL)采用了極紫外線光刻(EUV)技術(shù)進行加工。

          根據(jù)IBM發(fā)布的新聞稿,2nm制程芯片制造技術(shù),能夠助力手機、數(shù)據(jù)中心、PC、自動駕駛等領(lǐng)域應用實現(xiàn)性能飛躍。

          具體來說,在手機領(lǐng)域,2nm制程芯片或能使手機電池續(xù)航時間“翻兩番”,即用戶每4天為手機充電一次。

          數(shù)據(jù)中心目前占據(jù)了全球1%的能源消耗,通過將處理器替換為2nm制程產(chǎn)品可大大降低這一數(shù)字。

          對于PC產(chǎn)品來說,2nm制程芯片有助于加快應用程序處理速度、更容易地翻譯語言、更快速地接入互聯(lián)網(wǎng)。

          在自動駕駛領(lǐng)域,2nm芯片能夠助力目標檢測算法更快運行,進而幫助提升自動駕駛汽車的反應時間。


          已與三星英特爾簽約,采取合作研發(fā)模式


          在IBM全球首發(fā)2nm芯片制造技術(shù)背后,該公司在半導體領(lǐng)域已有幾十年的研發(fā)歷史,此前還曾全球首發(fā)7nm、5nm芯片制造技術(shù)。

          Darío Gil稱:“這(發(fā)布全球首個2nm芯片制造技術(shù))是一個示范,表明了持續(xù)投資和合作研發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)能夠帶來突破性的進展?!?/p>

          IBM研究院旗下共有12個實驗室,分布在美國紐約、加州、德州等多個地區(qū)。

          據(jù)悉,IBM的半導體研發(fā)工作主要由位于紐約州首府奧爾巴尼的實驗室承擔。在該實驗室中,IBM科學家與公共或私營部門的合作伙伴共同進行技術(shù)攻關(guān)。本次發(fā)布的2nm芯片制造技術(shù)的研發(fā)工作也由這個實驗室承擔。

          2014年,IBM將芯片制造業(yè)務出售給了美國芯片制造商格羅方德,目前不具備芯片規(guī)模量產(chǎn)能力。據(jù)路透社報道,IBM已與芯片制造商三星和英特爾簽署了使用IBM芯片制造技術(shù)的聯(lián)合開發(fā)協(xié)議。



          尚處于概念驗證階段,商用價值仍待挖掘


          從理論上來說,IBM發(fā)布的2nm芯片制造技術(shù)能夠較5nm技術(shù)實現(xiàn)大幅性能提升。但是,該2nm芯片制造技術(shù)還處于概念驗證階段,離具備商用價值任重道遠。

          目前,全球突破10nm及以下先進制程生產(chǎn)工藝的玩家僅有臺積電和三星。兩家公司的10nm、7nm、5nm制程均已實現(xiàn)商用,目前正進行3nm攻關(guān)。

          根據(jù)此前臺積電公布相關(guān)信息,相比5nm制程,3nm相同功耗下性能可提升10~15%,預計能在2021年第四季度實現(xiàn)量產(chǎn)。


          結(jié)語:絕緣材料來“救場”,摩爾定律仍有希望


          隨著芯片制程逼近物理極限,有關(guān)“摩爾定律將死”的預言時不時就會出現(xiàn)。但是,每當人類科學站在下一代制程節(jié)點“面前”,總有新的技術(shù)涌現(xiàn)出來,維持著摩爾定律繼續(xù)向前發(fā)展。目前,IBM全球首發(fā)的2nm芯片制造技術(shù)距離商用量產(chǎn)還需要更多時間與技術(shù)累積。盡管如此,這亦說明了或許這場人類對先進芯片制程的追逐戰(zhàn),遠未到達終局。


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