【趨勢大師】半導體先進製程戰開打 IBM率先發表2奈米晶片製造技術

出版時間 2021/05/12
微驅科技總經理吳金榮
微驅科技總經理吳金榮

本文作者微驅科技總經理吳金榮

5月6日,美國IBM公司宣布打造出全球第一顆2奈米晶片。

IBM表示2奈米晶片在相同能耗下,效能較7奈米晶片提升45%;在相同效能下,可省電75%。150平方毫米大的2奈米晶片,可容納500億個電晶體,平均每平方毫米可容納約3.3億個電晶體。

台積電5奈米製程,每平方毫米估計可容納約1.71億個電晶體,IBM的2奈米晶片的電晶體密度,約為台積電5奈米晶片電晶體密度的兩倍。 三星電子的5奈米製程,每平方毫米估計可容納約1.27億個電晶體,僅達IBM 2奈米晶片電晶體密度的38.5%。

IBM 2奈米晶片採用3層閘極全環繞(GAA)架構,IBM在前段製程首次使用極紫外光(EUV)顯影,IBM表示在晶片的每個關鍵層都使用單曝光EUV,以降低複雜性提高良率。

IBM在2014年,將它在紐約的12吋晶圓廠賣給格芯(GF)後,就沒有生產用的晶圓廠,不過IBM仍保有研發用的晶圓生產設施。

儘管沒有晶圓廠,IBM持續與三星電子、格芯等技術合作開發半導體生產技術,以及先進的處理器IC。

這不是IBM第一次領先推出實驗室開發出先進的製程晶片,2015年7月,IBM宣布開發成功全球第一顆7奈米晶片。不過全球「真正」量產7奈米晶片的是台積電。2018年第二季,台積電領先全球,開始量產7奈米晶片。

IBM於2017年6月宣布,它與格芯、三星電子的研發聯盟開發出,全球第一顆5奈米晶片。然而真正實現量產的是台積電,2020年第2季台積電領先全球,率先量產5奈米晶片。

IBM實驗室能夠領先全球,試產成功2奈米晶片,是很高的成就,尤其是台積電、三星電子在先進半導體技術領先美國的態勢下,IBM領先推出2奈米晶片,為美國爭一口氣。

IBM是電腦工業的先驅者,引領大型電腦產業數十年,目前是全球資訊服務的主要供應商。除了業界人士外,很少人會將IBM與半導體工業連結在一起。

其實IBM在半導體工業的基礎雄厚,開發出許多關鍵技術,並以輸出技術及提供服務平台而聞名,它開發了許多專利技術,大多數非自用,而是作為技術輸出給其他的半導體公司。

IBM在半導體技術的研發有輝煌的歷史,曾經推出多項突破性半導體技術,對半導體工業的發展有重大的貢獻。

諸如1966年的單電晶體的DRAM單元,1980年的RISC處理器架構,1980年代的3D封裝、覆晶封裝(flip chips)等,皆是IBM開發出的技術。

1989年全球第一個200mm 生產線,1997年的銅互連技術,替代鋁線,能效更高。化學機械拋光技術(CMP),矽鍺(SiGe)電晶體的應變技術,氟化氬(ArF)微影技術,電腦化微影技術,化學增量光阻劑及絕緣層上矽(SOI)技術等等,皆是IBM研發的成果,這些技術推動半導體製程技術的進步。

早期IBM曾跨足晶圓代工,不過營業額不大。IBM為了推廣它的半導體技術服務市場,它與多家半導體公司成立聯盟,共同開發半導體技術。

IBM技術開發聯盟的成員有三星電子、格芯、超微、聯電等。隨著製程的推進,IBM技術聯盟的成員,有所更迭,迄今三星電子及格芯仍是IBM技術聯盟的夥伴。

IBM率先發表2奈米晶片對三星電子有利,這可為三星電子開發3奈米、2奈米製程提供不小的助益。不過實驗室的產品到真正量產,仍有一段不短的路要走。

2015年7月IBM發表7奈米晶片,它的技術聯盟夥伴三星電子,遲至2019年第四季方開始量產,之間有4年的差距。

2017年6月,IBM與三星電子、格芯技術聯盟,發表試產5奈米晶片,三星電子於2020年第三季方開始量產,之間相隔約3年。

因此此次,IBM推出2奈米晶片,有助於三星電子2奈米晶片的量產。以上列7奈米、5奈米的經驗推算,三星電子最快可能於2023年下半年,方有可能進入量產階段。

台積電預計於2022年下半年,量產3奈米製程晶片。

2奈米製程的進度,根據產業界的訊息,可能於2023年開始風險試產,2024年進入量產。

儘管三星電子有可能在IBM的幫助下,最快在2023年下半年量產2奈米晶片,然而變數仍多,實驗室開發完成的技術,進入量產變數很多,尤其是跨公司的合作,往往無法「事事如意」。