2nm芯片为什么特别？

▲图示：2nm晶圆近照

现如今人类的科技水平，很大程度上取决于工程师们对微观世界的理解和掌控能力，大量新的技术都需要在纳米尺度上挖掘未来的可能性。今年5月，蓝色巨人IBM公司宣布造出了全球第一颗2nm工艺的半导体芯片。

核心指标方面，IBM称该2nm芯片的晶体管密度（MTr/mm2，每平方毫米多少百万颗晶体管）为333.33，几乎是台积电5nm的两倍，也比外界预估台积电3nm工艺的292.21 MTr/mm2要高。用更易理解的描述来表达，即在150平方毫米，也就是指甲盖大小面积内，容纳了500亿颗晶体管。

同时，在同样的电力消耗下，其性能比当前7nm高出45%，输出同样性能则减少75%的功耗。在下图IBM公布的显微镜下2nm芯片照片，里面一个个排列整齐的锯齿状凸起，就是芯片中负责运算的最基础结构单元 —— 晶体管的横截面。

▲IBM公布显微镜下的2nm芯片照片

不过细心的同学可能会注意到，照片里面芯片最重要的微观结构，也就是晶体管中电子流动的通道宽度是12nm，跟说好的2nm不一样！这是为什么呢？

业内常常提及的“芯片使用多少纳米的工艺”，虽然在很多年以前代表芯片里晶体管特征尺寸的真实大小，但是现如今7nm、5nm芯片中所谓的多少纳米，其实早都已经不代表晶体管的真实尺寸了，而只是一个技术代号（这就跟苹果11、12代手机是一个意思）。

甚至，芯片大佬之间还因为每一代制造技术究竟应该叫几纳米吵过架。比如在前几年，英特尔公司就曾经指责台积电说：“台积电的7nm芯片里晶体管的个头，比英特尔制造的10nm芯片个头还大，简直是技术虚标！”但是没办法，台积电在过去几年中，还是无情地超过了英特尔成为全球市值第一的芯片企业。因此，尽管名称上存在一定营销策略的考虑，但是芯片技术从7nm到如今的5nm、3nm，可以说每一代都是很成功的。

那既然这多少纳米已经不代表真实的晶体管大小了，这一次IBM的所谓2nm技术是不是也有虚标的成分呢？

目前看来还真不是。这次IBM宣布的2nm芯片技术，至少在两个方面是有一些真本事的。

首先，就是这次IBM在芯片的晶体管密度上确实有比较大的提升。我们刚刚提到，如今芯片工艺的名字已经不跟晶体管的真实尺寸挂钩了，但这可并不意味着芯片每一代技术的名字就可以乱叫。事实上，业界有一个默认的规矩，那就是只有当一种芯片的制作工艺，在单位面积上的晶体管数量（或者说晶体管的密度）比起上一代有将近一倍的提高的时候，才有资格叫新的名字。

而这一次IBM的2nm芯片，在每一平方毫米的面积上，可以制造3.3亿枚晶体管，这个密度差不多是苹果手机里5nm芯片的2倍，小米、三星等等手机里5nm芯片的3倍，确实有比较明显的提高。

要知道，晶体管的密度跟芯片性能基本上是成正比的。这种高密度的晶体管技术，能把如今手机的续航提高到四天，对大型的数据中心、个人电脑，以及自动驾驶汽车，也有很大的性能提升潜力。

其次，就是这次IBM采用了一种新的晶体管立体结构，GAA（环绕栅极晶体管）技术有望引领芯片技术再往前走很多年。

为什么这么说？我们回顾芯片技术发展，芯片结构最初是平面的，之后鱼鳍式晶体管结构，而今天的是全环绕式立体结构GAA。

2010年之前，芯片里的晶体管使用的都是平面工艺，如果用显微镜观察，它就是一个扁平的“片”。但是，这种扁平的晶体管结构，在28nm左右就遇到了瓶颈，很难再继续缩小了。

英特尔公司，在2011年推出了一种被称为鱼鳍式晶体管的芯片技术。这个技术的结构有点像鱼鳍的立体结构，成功地让芯片工艺突破了28nm的难关。从2011年直到今天，所有的高端手机和电脑芯片，使用的全都是这种鱼鳍式晶体管的技术。可以说，正是这种芯片的立体结构，引领了过去十年芯片行业基本的技术方向。

如今的芯片又到了一个重要的技术节点，那就是工程师们发现对于小于5nm的工艺来说，即便是鱼鳍式的晶体管，也不好用了，会出现漏电等等复杂的失效现象。于是，业界就热切地盼望能有一种新的晶体管结构，能像十年前的鱼鳍式结构一样，继续带领芯片制造工艺向前进步。这就是IBM的新工艺了。从公布的2nm芯片照片可以看出，其中晶体管已经不再使用如今的鱼鳍式结构，而是采用了一种更加立体、结构也更复杂的全环绕式结构（也就是所谓的GAA晶体管）。

举个栗子，鱼鳍式晶体管就好像是在硅片上造了好多平房，而这个全环绕式晶体管就如同把平房升级成了楼房。由于微观结构更加立体，也就使得晶体管的密度突破了5nm工艺，向着更小、更先进的芯片前进。

事实上，全环绕式结构，并非IBM独创，三星、英特尔、台积电等很多芯片制造商也在尝试这种新结构。可以预见的是，伴随着全环绕式结构，芯片技术很有可能继续迎来10年的蓬勃期。2nm的GAA（环绕栅极晶体管）技术，首次使用底介电隔离通道，它可以实现12 nm的栅长，其内部间隔是第二代干法设计，有助于纳米片的开发。这也是第一次使用EUV曝光FEOL部分过程。

IBM这次成功实现的全环绕式晶体管，大概是目前业界普遍认可的未来十年最有希望的技术方向。很可能未来的几年，我们就会用上采用这种新工艺的手机和电脑了。