晶体管的纳米竞赛

来源：半导体行业观察

这十年的技术追求可能只是打破摩尔定律，公司当然正在努力争取在它的前排座位上占据一席之地。摩尔定律认为硅芯片上的最大晶体管数量将每两年翻一番，这一定律一直沿用至今，但它正在走向过时。IBM 在 2021 年就证明了这一点，其突破性的 2 纳米芯片技术颠覆了市场。这个新的制造时代得益于减少芯片纳米的竞赛。 
今天，晶体管的标准长度是10纳米，而且随着最新研究，顶级公司已经生产了5纳米或7纳米的芯片。从历史上看，在 20 纳米和 16 纳米芯片上，由于铜互连与晶体管变得过于紧凑，因此在芯片中出现了不需要的电阻电容延迟问题。通过细线移动电流的挑战已经在减少芯片纳米的技术中产生了瓶颈。GAA 架构是下一代微制造工艺，是理想的技术。半导体制造商正在追逐这项技术，以改善静电特性、提高性能、优化芯片设计并降低功耗。 
此外，设计和制造更小的芯片的成本是天文数字。据 IBS 估计，5 nm 芯片将花费 4 亿美元，3 nm 花费 则高达6.5 亿美元。 
无论如何，芯片制造商正在向下一个节点进军，代工厂已经出货或计划在芯片中制造 5 纳米和 3 纳米。在这场竞赛中处于领先地位的是 IBM、英特尔、台积电和三星。 

 

IBM的突破 

作为制造行业最大的突破之一，IBM 去年推出了世界上第一个 2 纳米半导体芯片设计。该公司制造了第一款采用 2 纳米 (nm) 纳米片技术的芯片。该公告透露，“（IBM 的新 2 纳米芯片技术）预计将实现比当今最先进的 7 纳米节点芯片高 45% 的性能和 75% 的能耗。”
最新消息是在 IBM 的 5 纳米设计（另一个里程碑）之后不到四年开发的。IBM 的 2 nm 芯片可以在一个指甲盖大小的芯片上安装多达 500 亿个晶体管。
台积电（TSMC）是全球最大的芯片制造商之一。该公司计划在未来三年内投入 1000 亿美元的巨额投资来提高产能。它一直在努力在明年推出其 3 纳米芯片。生产将于2022年7月开始。 
台积电声称，3nm 技术将使计算性能提高多达 15%，并降低多达 30% 的功耗。事实上，尽管与英特尔竞争，但据报道苹果和英特尔是最先使用台积电 3 纳米芯片的公司，该公司计划为英特尔生产比苹果更多的芯片。 

 

三星，紧随其后？

三星多年来一直是制造领域的主要参与者，在其最新的重大公告中，它声称到 2025 年将推出 2 纳米技术晶体管。在2021 年的三星代工论坛期间，该公司透露了他们的量产计划这些 2 nm 芯片位于其 GAA 晶体管架构上。该公司计划在未来三年内投资创纪录的 2050 亿美元，以寻求在芯片制造领域的领先地位。 
早些时候，三星声称他们的 3 纳米技术将在 2022 年底被采用，但根据他们的最新公告，该公司正准备在来年上半年量产他们的第一代 3 纳米芯片。这将与竞争对手台积电计划制造 3 纳米芯片同时到来。 

 

英特尔，迎头赶上 

2021 年 3 月，英特尔宣布投资200 亿美元新建两家芯片工厂，以期直接挑战在代工领域占据主导地位的台积电和三星。英特尔在该领域公认落后，一连串的制造失败推迟了英特尔芯片的三代。但该公司已经在 7 纳米工艺上赶上竞争对手。
英特尔生产的芯片为 10 纳米，而台积电已经在生产 5 纳米。英特尔的路线图是在 2024 年超越这些公司并生产 1.8 纳米芯片。在短期内，他们的 7 纳米芯片预计将在来年上市。他们已经开始为此做准备，改造他们当前的产品，例如 10 纳米芯片有更好的工艺称为Intel 7，而他们的 7 nm工艺是Intel 4。 

 

1纳米技术？

在去年的另一项突破中，台积电、麻省理工学院和台湾国立大学的研究机构台大在开发 1 纳米芯片方面取得了联合技术突破。根据他们发表在《自然》杂志上的研究，他们项目的核心使用半金属铋 (Bi) 代替标准硅来为新晶体管奠定基础。不过，需要注意的是，台积电已经澄清，至少在可预见的未来，该工艺可能不会用于大批量制造。
随着半导体行业的发展和创新，新的一年无疑打开了一个充满可能性的窗口。技术爱好者已经在考虑 IBM 今年推出 1 纳米芯片的可能性。因此可以肯定地说，不应低估这些公司在减少芯片纳米方面的竞争。 

封面图片来源：半导体行业观察

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　　审核编辑：鄢孟繁