延續摩爾定律神話 IBM推2nm芯片製程

IBM的2nm工藝製造的12吋晶圓樣本，電晶體密度比台積電5nm多2倍。不過IBM並不運作晶圓代工，只出售IP，生產2nm芯片達到生產級的良率，可能是極大挑戰。

新科技速遞

不少人懷疑芯片製造技術到了限極，IBM宣佈推出首個2nm芯片製造技術。新技術功耗更低， IBM指未來手機只須4日才充一次電。

新技術亦令未來手提電腦的運算能力大增，可以執行更多人工智能，亦有助自動駕駛更快識別物件。

2nm芯片之所以重要，半導體製程常以以奈米（nm）製程，計算半導體技術水平；其實是nm是代表了集成電路（Integrated circuit）之中的「閘極長度」（Gate length）是所有，其構造最細小，也最難製作，常常以「閘極長度」代表了半導體製程的水平，也被稱為製程線寬，又稱「線寬」。

閘極的線寬愈小，電晶體愈密集，電晶體密度愈高，則可在更小晶片上，放入更多電晶體；除了提高運算效率和降低功耗，封裝後的集成電路，體積愈小，成本也愈低，電腦或手機體積更輕薄。

1965年，英特爾（Intel）創始人Gordon Moore提出了「摩爾定律」（Moore’s law）：預測集成電路上可容納電晶體數目，約每隔兩年增加一倍，此後一直顛撲不破。但當閘極長度縮小至20nm以下，問題亦接踵而来，包括良率（Yield rate）降低，漏電嚴重。

IBM芯片屬於以其三層堆叠纳米片GAA（Gate-All-Around）工藝，此項工藝會取代紅極一時的FinFET工藝，IBM與三星及英特爾均有合作關係，三星已使用了GAA製程在3nm芯片試驗。

電晶體密度驚人

2nm芯片較現時主流的7nm製程技術，性能提升了45%，功耗降低75%；目前最尖端芯片製程是5nm，而2nm芯片體積更小、速度更快。但最大問題是良率，良率不足，芯片光罩成本極高，成品不斷報廢，代工或IDM面臨嚴重虧損。英特爾就是在受困在10nm和7nm的良率不足，產期一拖再拖。

目前，只有台灣台積電和韓國三星，充份掌握了5nm製程的良率，達到生產級水平，IBM的2nm芯片製程，相信挑戰更大。

據AnandTech網站分析，台積電5nm芯片每平方毫米約容納1.73億個電晶體，三星5nm每平方毫米只約有1.27億個電晶體。IBM新型2nm芯片每平方毫米，可約3.33億個電晶體， 代表IBM的2nm內每平方毫米電晶體密度，達到了台積電5nm的2倍，相當驚人。

閘極長度不一定代表電晶體密度，以英特爾的7nm電晶體密度，電晶體2.37億個，超越了台積電5nm，也超過三星7nm。不過，IBM的2nm芯片規格上，仍超越台積電3nm的2.92億個電晶體。

IBM表示，採用2nm工藝製造測試晶片，一塊指甲大小的晶片中，容納了500億個電晶體，2nm寬度已小於人體DNA的單鏈。

IBM芯片屬於以其三層堆叠纳米片GAA（Gate-All-Around）工藝，芯片也首次使用底部電介質隔離，減少漏電，亦有助於減少功耗，芯片另一突破為內部空間乾燥工藝，芯片更廣泛採用EUV光刻技術。

新一代製程GAA

過去數年，FinFET製程成為主流，源於美國加州大學柏克萊研究人員，發明了「鰭式場效電晶體（Fin Field Effect Transistor，FinFET）」，取代原本2D 構造的 MOSFET工藝， 3D結構的 FinFET因構造上像魚鰭 ，被稱為「鰭式（Fin）」，半導體閘極長度成功縮小到 20 nm以下，但到了5nm又FinFET又開到荼蘼，由GAA接手解決5nm以後的挑戰。

估計台積電會在2nm工藝製造使用GAA工藝，英特爾則大落後，不知何時開始GAA製程。

Albany Nanotech Complex科技綜合園隷屬於紐約州立大學理工學院（SUNY Polytechnic Institute），位於紐約州首府奧爾巴尼市（Albany）；IBM、GlobalFoundries、荷蘭ASML、SEMATECH、三星、Applied Materials、Tokyo Electron、Lam Research都在此進行納米研究。

藍色巨人屢創先河

IBM在紐約州奧爾巴尼的Albany Nanotech Complex科技綜合園再開發了GAA製程，較早前三星已IBM研究試驗製作3nm芯片，有望取代FinFET工藝。GAA利用特定材料，可將電流通道包裹成3D結構，雖然更複雜，卻可大幅提升電晶體密度，實現2nm和1nm閘極長度，亦解決了漏電問題。

歷史上，IBM科學家在半導體技術有多次突破，1960年首先引入倒裝晶片封裝技術，然後是單晶體管DRAM，連精簡指令集（RISC）都是IBM設計，IBM研究人員John Cocke因此獲得了1987年圖靈獎，

目前手機ARM處理器就是基於RISC架構，其他SiGe矽工藝、銅互連、絕緣矽、應變矽和Power處理器，無一不對半導體行業，帶來了深遠的影響。如果GAA成功取代FinFET，就再一次證明IBM研究實力，寶刀未老。