IBM的30億美元晶片計劃

現在，三星和台積電在7nm節點處正式展開較量，他們二者之間在未來3nm節點的爭鋒更是引起了業界的廣泛關注。

而在他們的競爭的背後，卻有這樣一家企業，他雖然不直接參與晶圓代工廠之間的競爭，但他所推出的技術或者相關研究卻對先進位程的升級很有幫助，這家企業就是IBM。

IBM以輸出技術及提供服務平台而聞名，他在先進位程沿著摩爾定律向前發展的過程中起到了重要的推動作用。

IBM所創建的全球IBM製造技術聯盟（成員包括有三星、東芝、AMD、Freescale、英飛凌、意法半導體、Chartered及NEC八家），攻克了當時32/28納米時的高k金屬柵(HKMG)工藝難題。

後來，其所研發的SOI技術曾經引領了一代晶圓代工廠的發展，也同樣為AMD等廠商所推出的晶片帶來了性能上的提升。

後來由於種種原因，IBM在2014年將其晶片製造業務出售給了GlobalFoundries，但其在半導體先進位程方面的研究卻一直沒有停止。

因為也是在這一年中，IBM著手布局了一項耗資30億美元的項目——「 7nm and Beyond 」。

據相關報導顯示，該項目涉及了兩個方向，一是開發可以經濟地製造7nm及其以下製程的工藝。

另一個方面則是尋找可以新材料（如石墨烯、III- V）和技術以支持先機製程的繼續發展。

在IBM「 7nm and Beyond 」計劃中脫胎的很多成果都推動了如今7nm發展，這種影響力甚至在未來3nm節點處仍有體現。

IBM聯手三星用EUV技術重新定義7nm

在IBM宣布「 7nm and Beyond 」計劃後一年，IBM就與GlobalFoundries、三星等合作夥伴，共同推出了其首款7nm測試晶片。

需要強調的是，IBM在2015年推出的這款7nm晶片是實驗室測試晶片。

據外媒當時的報導顯示，「要製造出7nm制式的半導體晶片還需要很長的時間」，IBM Research半導體技術副總裁Mukesh Khare稱：「通過使用SiGe（鍺矽）材料及極紫外（EUV）光刻技術，IBM Research的研究員得以完成上述7nm測試晶片。

」

而後，在2017年，IBM又聯合三星與GlobalFoundries推出了一款5nm晶片。

當時，IBM研究中心的矽器件負責人Bu Huiming表示，該5nm晶片是第一次使用極紫外線光刻技術進行線的前端圖形繪製。

EUV的波長(13.5nm)比目前的浸入式光刻機(193nm)要窄得多這反過來又可以減少構圖階段的數量。

該研究成果，又進一步推進了EUV的商業化落地。

回過頭來看，雖然IBM當時推出的7nm工藝僅是一款實驗室晶片，但從現在看來，從IBM推出7nm測試晶片到5nm晶片，其中所採用的EUV技術是一次大膽的嘗試，這種嘗試也為現在先進工藝的發展起到了深刻的影響（眾所周知，EUV被視為是推動先進工藝向下發展的關鍵設備之一。

最近兩年，三星和台積電也紛紛宣布在7nm階段導入EUV技術）。

三星率先推出了採用EUV技術的7nm工藝，無疑是EUV技術實現商業化的重要推手。

或許是IBM十分看好採用EUV技術的先進工藝，也或許是基於IBM和三星多年來的合作。

2018年，IBM選擇將其Power處理器交給了三星進行代工，根據雙方的合作信息，IBM將使用三星的7nm EUV工藝生產未來的Power處理器及其他HPC產品。

而這項合作的達成，則進一步推動了EUV技術在實際應用中的落地。

日前，IBM也在IEEE中發表的文章中稱，「在2014-2015年的時間窗口中，整個行業對EUV技術的實際可行性存在很大的疑問。

但現在，EUV已成為主流推動者。

當時，我們基於EUV交付了第一款7nm技術，這有助於建立對我們行業中EUV製造的信心和動力。

」

IBM GAA架構即將衝出實驗室

IBM相信，實現超越FinFET的規模擴展的晶片基礎元素將是Nanosheet（納米片）。

IBM認為，Nanosheet可以被視為是FinFET架構的替代品，並有望實現從7nm和5nm節點到3nm節點的過渡。

據相關資料顯示，IBM Research從事GAA電晶體研究已有十多年了，其設備架構已從單納米線發展到堆疊納米片。

2015年，研究人員在S3S會議上發表了第一篇納米片論文，首次為「Nanosheet」命名。

2017年，IBM和研究合作夥伴三星宣布了業界首個製造可用於5nm晶片的矽納米片電晶體的工藝。

在2019年的IEEE國際電子設備會議上，IBM Research在納米片上的最新進展顯示，他們利用了全能門（GAA）堆疊納米片，解決了FinFET在真正的5nm節點及以後所面臨的若干挑戰。

在該會議中，IBM指出，由於GAA中更好的靜電控制和更高的封裝密度，NanoSheet提供了更好的功率性能設計點。

與目前晶圓代工廠中可用的最新，最出色的7nm FinFET技術相比，NanoSheet技術在相同功率下的性能提高了25％以上，在相同性能下的功率節省了50％以上。

同時，由於極紫外光刻（EUV）支持可變寬度，Nanosheet技術可以為AI和5G時代計算機產品的更好設備架構。

在採用新納米片架構的方面上，三星依舊是將IBM技術從實驗室帶到市場的忠實守護者。

基於當初IBM與三星之間在GAA上的合作研究，三星又重新設計了現有的GAA，使其成為多橋溝道FET（MBCFET ™）。

據三星公布資料顯示，MBCFET ™的功率效率比GAA更高，其性能也因此更好。

與現有的7納米鰭式電晶體工藝技術相比，MBCFET™將功耗降低了50％，性能提高了30％，電晶體占用的面積減少了45％。

據悉，這項被稱作是MBCFET™的技術將作為三星3nm的第一個工藝節點出現在市場中。

而根據三星的先進工藝規劃來看，2021年或許我們就能窺見這項技術的廬山真面目。

新設計推動GAA架構發展

我們都知道，三星正在晶圓代工業務上發力，GAA就是他與台積電在3nm節點處進行較量的一大利器。

與此同時，市場中也有傳言稱，台積電或將在其第二代3nm或2nm上會升級到GAA電晶體技術。

另外，據觀察者網的消息顯示，英特爾似乎也有意向在其5nm節點處採用GAA環繞柵極電晶體。

這些晶圓代工廠向GAA技術的靠攏，也說明了該技術擁有十分廣闊的發展前景。

但在GAA架構落實到先進工藝的過程中，依然存在著一些挑戰，IBM正是致力於解決這挑戰並進行創新的中流砥柱。

根據EET的報導顯示，在2020年VLSI技術和電路專題討論會上，IBM Research的一個團隊介紹了其在納米片架構上的最新工作，據相關報導顯示，該研究團隊成功地在電晶體柵極周圍產生了稱為空氣隔離物的空氣囊，該空氣囊普遍適用於任何設備架構，並提供了一種更實用，兼容的方式來使設備消耗得更少。

實際上，他們已經表明，與將器件縮放到5 nm節點相比，在7 nm節點設備上應用此空氣隔離器可提供更好的性能增益和功耗降低。

基於IBM這項研究，IBM的合作夥伴CEA-Leti的研究人員表示，他們已經製造出了一種新的堆疊式七層全環繞（GAA）納米片電晶體架構，以替代FinFET技術。

IBM的研究人員預計，他們的工作將為未來幾年在FinFET和NanoSheet電晶體中採用其技術鋪平道路。

IBM走過的彎路

IBM為先進工藝所做出的付出，並不是每次都能如願實現商業化。

當初，在新材料方面，IBM曾經一度認為SiGe是未來電晶體的發展方向，IBM曾在其一篇技術文章中提到，在先進位程繼續向下發展的過程中，溝道材料的創新以降低電晶體的溝道電阻是研究的關鍵領域，這就是為什麼IBM要探索矽鍺（SiGe）的原因。

IBM指出，SiGe具有比純矽更高的電子遷移率，這使其更適合於較小的電晶體。

但近些年來，伴隨著業界對III-V族材料的認識越來越深入，這使得同樣可以實現高電子遷移率的III-V族材料被應用到越來越多工藝當中，也被視為是取代矽的理想材料。

據相關報導顯示，台積電就曾對外表示，III-V族材料也有可能會代替傳統的矽作為電晶體的通道材料以提升電晶體的速度。

結語

在全球半導體發展的過程當中，IBM一直在其中充當著重要的角色——在二十世紀六十到九十年代間推出了，IBM接連推出了單電晶體的DRAM單元、RISC處理器架構、倒裝晶片技術、代替鋁的銅互連技術、化學機械拋光技術(CMP)、氟化氬(ArF)光刻以及SOI技術，這些技術都深刻地影響了半導體產業的發展。

在晶圓代工方面，從1988年IBM創建200mm生產線到2014年IBM將其半導體製造業務出售給GlobalFoundries的近三十年時間裡，IBM也曾在該領域中擁有高光時刻——據2003年的報導稱，iSuppli的統計報告顯示，IBM公司的晶圓代工服務已躍身入圍世界前三強，以6.3%的市場份額緊隨台積電、聯電之後。

但IBM卻無心壯大其晶圓代工業務，根據相關媒體報導顯示，雖在2003年的晶圓代工市場表現亮眼，但以半導體業務為核心的IBM科技事業部技術製造服務總經理John Acocella仍強調，公司並不打算追隨台積電或聯電的腳步成為晶圓代工大廠，IBM仍然與其他晶圓代工廠商保持客戶關係。

IBM雖然已經放棄了半導體製造業務，但其所授予眾多晶圓代工廠的專利技術，卻極大地推動了先進位程的發展，這也使得他成為了先進位程升級過程中的重要一員。

而伴隨著10nm及其以下先進工藝玩家的減少，7nm、5nm節點處的競爭也愈演愈烈，IBM的「 7nm and Beyond 」計劃的研究成果，或許成為晶圓代工廠在競爭中取得優勢的一大幫手。

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