美国又一芯片巨头“沦落”：IBM也开始寻找亚洲芯片代工厂

很多人可能知道IBM是全球最大的IT服务商，但鲜有人知，在半导体制造领域，IBM也曾是领跑者。

1988年，IBM搭建了全球第一条200mm晶圆生产线。随后在2002年，IBM又建成了全球最先进的300mm生产线。数据显示，2003年，IBM的晶圆代工业务凭借6.3%的市场份额曾挤进世界前三强，仅次于台积电和联电，IBM在半导体领域一时风光无两。然而， 时过境迁，美国担心的事情正在发生——IBM也开始在芯片生产环节寻求亚洲厂商代工，至此连同AMD和英特尔在内的美国三大芯片巨头都开始依赖亚洲芯片代工厂。

据外媒报道，当地时间8月17日， IBM发布了一款用于新型数据中心的处理器芯片——Power10 ，这款芯片由三星电子生产，采用7nm EUV（极紫外光刻）工艺，其性能将是上一代的3倍。据悉，Power系列是IBM面向企业级用户推出的高性能处理器芯片， 最早由IBM自己生产，然后交给格芯负责代工，后者是一家位于美国的半导体晶圆代工厂商，也是世界第三大晶圆代工厂，现在再交给三星电子。

开头提到，既然IBM拥有半导体制造部门， 曾在半导体制造领域占据一席之地，那么为何今天会依赖外部市场代工呢？IBM是如何走到这一步？

当初，IBM建立晶圆工厂的目的是为自家产品提供生产服务，帮市场代工不是主要考虑。但是， 由于英特尔的强势竞争，IBM的处理器产品在市场逐渐边缘化，导致IBM销售的处理器数量很难填补工厂的庞大产能 ，这意味着制造均摊的成本大幅增加。半导体制造是个需要时刻保持更新的行业， 生产工艺每数年升级一次，动辄耗资数十亿美元，如果没有大量出货，那么很难负担制造成本。

随着制造成本增加，IBM逐渐减少对半导体制造部门的投资。根据Gartner市调公司的调查数据显示， 2004年，IBM公司在半导体制造领域以10亿美元的资本支出位列全球第11位；到2010年，这一排名已跌出20名开外。

同时，研发和生产投资跟不上使IBM的生产工艺落后市场，产品竞争力不足。 2010年，POWER处理器第7代所用的生产工艺是45nm，同时期最先进的已跨入32nm工艺时代。 由于达不到经济规模效应，芯片制造部门成为IBM的"包袱"。 2013年，半导体制造部门占IBM营收为1.4%，但该部门每年亏损最多达到15亿美元。

IBM只能选择将该业务剥离出去，来改善IBM的盈利能力。 2014年10月，IBM宣布将旗下全球半导体制造业务出售给格芯，把业务重点放在核心的芯片设计和系统创新上。

除IBM外，AMD和英特尔也选择将高端芯片业务交由亚洲厂商代工。2018年8月，由于格芯制程工艺落后，其最大客户AMD宣布采用7nm制程工艺的处理器和芯片，全部交由台积电代工；2019年，英特尔将部分14nm订单外包给三星生产； 2020年7月，英特尔与台积电达成协议，从2021年采用台积电的6nm制程工艺量产处理器或显卡。这三大美国半导体供应商都有一个相同的特征——曾经或现在居于全球最大半导体芯片制造商队列。

在这样的背景下，美国越来越担心半导体制造业务过分依赖外部市场，可能存在风险 ，尤其是疫情冲击全球供应链，更加剧这种担忧。最近，美国就计划重振本土半导体行业，在6月提出相关法案斥资370亿美元（约合2600亿元人民币）用于扩大本土研究和制造业务。 那么，为什么美国会在半导体制造领域"式微"、对亚洲的代工厂越来越依赖呢？

美国是半导体芯片的发源地，在经历了成熟的发展阶段后， 美国芯片企业认为半导体制造业务投入成本高昂、技术开发周期快，于是考虑将重心放在芯片设计这个高附加值的环节。 1990年代，美国涌现了一批优秀的Fabless企业，即只负责芯片的电路设计与销售的企业。

随着后来经济全球化进程加快、国际分工理念广泛得到认同，美国一些IDM（集芯片设计、制造、封装和测试等多个环节于一身的运营模式）企业逐渐将芯片制造部门剥离出去， 转型成为Fabless企业，就如今天文章的主人公IBM类似，这推动了美国芯片制造业务大量向亚洲区域转移。

上文提到过，半导体制造部门具有很高的资金和技术壁垒，需要持续研发更优的生产工艺和投入巨资改良生产线，这种行业特点容易造成强者愈强的局面。 亚洲地区的半导体企业专注晶圆代工环节，并紧贴市场需求变化，这意味着它们的生产线迭代速度能够保持行业最快。 伴随着时间的推进，亚洲地区逐渐发展出最成熟的半导体制造业务，并涌现了一批高端代工企业，如台积电、联电、中芯国际等。

此消彼长，不进则退， 随着亚洲的先进制程工艺水平不断提高，美国芯片制造与之的差距也在拉大，而且趋势是越来越难跟上 ，如今美国在全球芯片制造的占比也大幅下降。 英国《金融时报》指出，目前全球仅有12%的芯片在美国制造。

不难看到，虽然美国还是全球半导体行业的霸主，但在芯片制造领域已然面临巨大的挑战，随时还可能被甩到更后，也因此当前美国正出台各种扶持本土芯片产业的政策，以试图扭转这种局面，而全球半导体芯片制造格局或有可能迎来新的变化。

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机器之心报道

编辑：维度、陈萍

作为计算机芯片的最基础构建块，晶体管的体积变得越来越小，相应地芯片速度变得更快且更加节能。当前，7nm 和 5nm 制程工艺是手机和笔记本电脑中所用芯片的主流选择。2021 年 3 月，三星公布了全球首款 3nm「SRAM 芯片」，并预计于 2022 年起量产。

在各大芯片厂商「你追我赶」的激励角逐中，IBM 率先秀出了全球首个 2nm 芯片制造技术。

5 月 6 日晚间，IBM 公布了其在半导体设计和工艺方面的一项重要突破：全球首款采用 2nm 制程工艺的芯片，有助于将半导体行业提升到一个新的水平。与当前主流的 7nm 芯片相比，IBM 2nm 芯片的性能预计提升 45%，能耗降低 75%。与当前领先的 5nm 芯片相比，2nm 芯片的体积也更小，速度也更快。

具体来说，2nm 芯片的潜在优势包括如下：

从更具体的细节来看，IBM 2nm 芯片每平方毫米容纳 3.33 亿个晶体管，对比之下，台积电 5nm 芯片每平方毫米容纳 1.713 亿个晶体管，三星 5nm 芯片每平方毫米容纳 1.27 亿个晶体管。

作为曾经一家主要的芯片制造商，IBM 现在将其芯片生产外包给了三星，但依然在纽约奥尔巴尼市保留了一家芯片制造研发中心。该中心主要负责芯片的测试运行，并与三星和英特尔签署联合技术开发协议，以使用 IBM 的芯片制造技术。此次公布的 2nm 芯片正是在这里设计和制造的。

更高的晶体管密度、全新架构设计

与 7 纳米处理器相比，IBM 推出的 2nm 芯片在相同功率下性能提升 45%，能效则要高出 75%。IBM 指出，他们是第一个分别在 2015 年、2017 年推出 7nm、5nm 的研究机构，后者已从 FinFET 升级为纳米片技术，从而可以更好地定制单个晶体管的电压特性。

IBM 表示，该技术可以将 500 亿个晶体管安装到一个指甲大小的芯片上，从而使处理器设计人员拥有更多选择，比如可以注入核心级创新来提高 AI 和云计算等前沿工作负载的功能，以及探寻硬件强制安全性和加密的新途径等。

如你们时常从其他报道中所了解的，不同的芯片代工厂（台积电、三星等）对晶体管密度有不同的定义。值得注意的是，这些关于密度的数字通常被列为峰值密度。

关于新制程中如何制造晶体管的关键技术 Gate-All-Around / nanosheet（环绕式栅极技术晶体管），虽然 IBM 还没有明确说明，但图片显示这款新的 2nm 处理器使用了 three-stack GAA 设计。

在目前的新制程竞争中，三星计划在 3nm 节点上推出 GAA（三星将自己的技术称为 MBCFET）。其计划在 2020 年底即开始 MBCFET 的风险试产，2021 年规模量产，同时在 2021 年推出第一代 MBCFET 的优化版本。台积电则仍希望在 3nm 上继续使用 FinFET ，等到 2nm 芯片才会推出 GAA。根据规划，台积电的 2nm 工艺会在 2023 年开始风险试产，2024 年量产。

相比之下，可以预见英特尔将在其 5nm 工艺上引入某种形式的 GAA。预计到 2023 年，这家公司会在 5nm 节点上放弃 FinFET，转向 GAA 环绕栅极晶体管。

正如目前大规模应用的 FinFET 工艺拯救了芯片产业，在 5nm 以下的时代，GAAFET 或将成为半导体产业继续向前发展的关键。不过，GAAFET 工艺的制造难度显然是极高的。

IBM 的 3-stack GAA 设计采用了 75nm 的单元高度，40nm 的单元宽度，单个纳米片的高度为 5nm，彼此之间间隔 5nm。栅极间距为 44nm，栅极长度为 12nm。IBM 表示，3-stack GAA 是首个采用底部介电隔离通道的设计，这使得 12nm 栅长成为可能，并且其内部的间隔器采用第二代干式工艺设计，有助于纳米片的开发。

在实施过程中，IBM 还广泛地使用 EUV 技术，并包括在芯片过程的前端进行 EUV 图案化，而不仅是在中间和后端，后者目前已被广泛应用于 7nm 工艺。重要的是，IBM 这个芯片上的所有关键功能都将使用 EUV 光刻技术进行蚀刻，IBM 也已经弄清楚了如何使用单次曝光 EUV 来减少用于蚀刻芯片的光学掩模的数量。

目前，还没有提供关于 2nm 测试芯片的细节，现阶段，它可能是一种简化的 SRAM 测试工具，逻辑不多。IBM 表示，测试设计使用 multi-Vt 方案来进行高性能和高效率的应用演示。

虽然 2nm 制程工艺的芯片在性能和能耗方面都较当前 7nm 和 5nm 更强，但很大程度上只是概念验证，离上市还有很长一段时间。在 2015 年 7 月，同样是 IBM 率先宣布制成了 7nm 芯片，而直到 2019 年下半年，人们才能买到带有 7nm 芯片的手机。

据悉，2nm 制程的技术大概需要几年的时间才能进入市场。

参考链接：

https://www.anandtech.com/show/16656/ibm-creates-first-2nm-chip

https://www.reuters.com/technology/ibm-unveils-2-nanometer-chip-technology-faster-computing-2021-05-06/

https://www.theverge.com/2021/5/6/22422815/ibm-2nm-chip-processors-semiconductors-power-performance-technology

https://newsroom.ibm.com/2021-05-06-IBM-Unveils-Worlds-First-2-Nanometer-Chip-Technology,-Opening-a-New-Frontier-for-Semiconductors#assets_all

摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈，其核认为集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能每隔两年就会翻一倍。

但随着工艺制程与集成度的不断提升，晶体管尺寸渐近物理极限，继续依赖缩小工艺制程获取性能和经济效益提升已困难重重。与此同时，人工智能、大数据、5G等领域的计算需求在海量增长，如何突破摩尔定律，满足算力经济时代的已经成为一项新挑战。

2nm芯片真的来了？

近日，IBM发布了一个名为《YYDS！IBM发布全球首个2nm芯片》的视频。在视频中，IBM对2nm技术进行了全面介绍，并展示了全球首个2nm芯片。不愧是“蓝色巨人”，其它芯片代工厂还在攻克3nm，IBM在2nm工艺已经有突破了。

台积电的5nm芯片每平方毫米约有1.73亿个晶体管，三星的5nm芯片每平方毫米约有1.27亿个晶体管。这样对比来看，IBM 2nm晶体管密度达到了台积电5nm的2倍。而Intel的7nm晶体管密度超越了台积电5nm，也超过了三星的7nm，因此有业内人士表示IBM 2nm芯片在规格上强于台积电的3nm。而每平方毫米有大约3.33亿个晶体管的IBM新型2nm芯片，可不是好生产的。IBM表示，该芯片最小元件比我们的DNA单链还迷你。

增加每个芯片上的晶体管数量可以让芯片变得更小、更快、更可靠、更高效。2 纳米设计展示了利用 IBM 研发的纳米片技术是对半导体进行高级扩展的能力。这种架构为业界首创。在宣布 5 纳米设计研发成功之后，IBM 仅用了不到四年时间就再次实现技术突破。这项突破性技术问世后，一个指甲大小的 2 纳米芯片就能容纳多达 500 亿个晶体管。

今年5月份，IBM官宣了这一芯片工艺的突破，彼时就引起了业内的广泛关注。这次IBM发布了2nm芯片的宣传视频，或许证明了其已经加快了这方面的技术进程。IBM研发的新型2nm芯片技术可推动半导体行业的发展，满足不断增长的需求。与目前先进的7nm节点芯片相比，2nm的性能提升了45%，能耗更是降低了75%。

从IBM 的介绍中可以知道，这款先进的 2 纳米芯片的应用前景包括：

对于整个半导体产业来说，2nm的亮相具有非常重要的意义。虽然目前IBM的2nm只是停留在实验室的未来 科技 ，真正投入量产还需要再等待几年，但是通过对2nm工艺芯片在标准300毫米硅晶圆上蚀刻真实芯片的过程，证明了摩尔定律的延续性。此外，IBM在视频中还提前介绍了2nm芯片所具有的的诸多特性，以及生产细节，对产业链企业都将有不小的帮助。

这么强悍的芯片来袭，就涉及到生产了。如今的IBM没有了自己的代工厂。当下可以量产的芯片工艺节点已经来到4nm，占据工艺优势的可能还是台积电，三星次之。目前来看，台积电和三星正在生产5nm芯片，英特尔则致力于7nm芯片技术。

按照投产进度来看，台积电目前计划在今年年底开工投产的4nm芯片工艺，大批量生产要等到2022年；3nm芯片技术投产进程预计更晚，要到2022年下半年；2nm芯片技术更是仍处于相对早期的开发阶段。

所以说，就目前情况来看，IBM这波宣传还是看看就好。按照代工厂们的工艺发展线路，真正的2nm可能要到2026年或以后才能投入量产。作为消费者，我们只需要慢慢期待那一天的到来。

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