IBM发布全球首个2nm芯片制造技术，“蓝色巨人”是如何做到的？

（图片来源：IBM官网）

蓝色巨人终于开始发力。

5月7日消息，IBM公司周四宣布，其在芯片制程工艺上取得重大突破，声称已打造出全球首个2nm芯片制造技术，为半导体研发再创新的里程碑。

IBM在新闻稿中称，在运行速度方面，与当前许多笔记本电脑和手机中使用的主流7nm芯片相比，IBM的这颗2nm芯片计算速度要快45%，能源效率也高出75%，电池寿命最高可提升4倍，这代表用户每4天仅需为设备充电1次。

另外，相较于当前最先进的5nm芯片（目前仅有苹果iPhone 12等旗舰智能手机才有使用），这颗2nm芯片的体积将更小、速度也更快，未来有助于提升网络连接和数据处理速度，并提升自动驾驶汽车检测物体的反应时间。

IBM研究院高级副总裁兼院长Darío Gil表示，这款新型2nm芯片体现出的IBM创新对整个半导体和IT行业至关重要，且有助于大幅减少数据中心的碳排放量。

市场调研机构IDC研究主管Peter Rudden在接受外媒采访时表示，这一成果可以看作是一项突破。IBM的这颗2nm芯片可用于AI技术新应用，电源效率的提升也将会对个人设备有用，而提高的性能将使IBM庞大的数据中心受益。

“这也向IT行业传达了一个信息，即IBM将继续成为硬件研究的强势地位。”他补充称。

不过，外界有疑问的是，为什么全球首个2nm芯片诞生于IBM公司？

自研2nm晶体管技术， 惠及产业下游芯片制造代工厂

IBM曾是一家主要的芯片制造商，现已将起大量芯片生产外包给三星电子。但IBM在美国纽约纽约州奥尔巴尼（Albany）仍保留着一个芯片制造研究中心。该中心负责芯片研究，并与三星和英特尔签署了联合技术开发协议，以使用IBM的芯片制造技术进行生产。

2014年，IBM将旗下Microelectronics半导体部门出售给世界第三大专业晶圆代工厂GlobalFoundries（格芯）时，IBM就已经宣告退出芯片代工业务。芯片生产部分最后仍会交给三星电子、格芯、英特尔、台积电等产业链下游企业。

Seeking Alpha认为，IBM推出全球首款2nm芯片，这可能使英特尔和三星代工厂受益。

据The Verge，台积电和三星目前正在生产5nm芯片。英特尔仍在努力使其7纳米节点脱颖而出。台积电正计划在年底前开始其4nm芯片工艺的早期生产，并于2022年实现批量生产。它的3nm节点预计要到2022年下半年，而2nm芯片仍处于相对较早的开发阶段。这意味着，目前产业链下游芯片代工厂无法生产2nm芯片。

所以，IBM只负责芯片IC技术研究、设计部分，这颗全球首个2nm芯片 目前依然是在概念(PPT)阶段，用于研发用途，距离最后量产依然有很长的路要走。

根据nextplatform报道，目前担任IBM混合云研究副总裁的Mukesh Khare带领其完成了2nm技术的突破。

资料显示，Khare在1999年到2003年间，从事90纳米SOI工艺的开发，该工艺将IBM Power4和Power4+推向市场，他随后又负责了65纳米和45纳米SOI的推进，之后他对对用于Power7的32纳米技术进行了研究。Khare曾担任奥尔巴尼纳米技术中心的半导体研究总监。

具体来说，IBM今天展示的这项技术，更多是芯片制造中最基础部分——晶体管的改进。

晶体管（transistor）是一种类似于阀门的固体半导体器件，可以用于放大、开关、稳压、信号调制和许多其他功能。

首先，在这个芯片上，IBM用上了一个被称为3D纳米片堆叠的晶体管技术（nanosheet stacked transistor），它将NMOS晶体管堆叠在PMOS晶体管的顶部，而不是正常晶体管那样并排放置，利用类似电子开关形成二进制数字1和0的变化。后者尽管有更快、更省电的作用，但其最大的缺点是电子泄漏，而IBM的2nm芯片已经克服了这个问题。

IBM表示，其采用2纳米工艺制造的测试芯片可以在一块指甲大小的芯片中容纳500亿个晶体管。

在IBM的这个实现方案下，纳米片有三层，每片的宽度为40纳米，高度为5纳米。（注：这里没有测量的特征实际上是在2纳米处），其间距为44纳米，栅极长度为12纳米。Khare认为这是其他大多数晶圆代工厂在2纳米工艺所使用的尺寸。

据新浪科技引述Darío Gil的话称：“归根结底还是晶体管，计算领域的其他一切都取决于晶体管是否变得更好。但不能保证晶体管会一代又一代地向前发展，因此，每当有更先进的晶体管出现时，这都是件大事。”

这颗2nm芯片还包括首次使用所谓的底部电介质隔离（bottom dielectric isolation）技术、内部空间干燥工艺（inner space dry process）技术、2nm EUV技术等，从而改善原有晶体管技术存在的一些问题。

nextplatform指出，这样的改善带来的最终结果是，制造2nm芯片所需的步骤要比7nm芯片少得多，这将促进整个晶圆厂的发展，并可能也降低某些成品晶圆的成本。

据芯片行业网络媒体AnandTech报道指，IBM的新型2nm芯片每平方毫米（MTr/mm2）具有约3.33亿个晶体管。相比之下，台积电最先进的芯片采用其5nm工艺制造，每平方毫米（MTr/mm2）约有1.73亿个晶体管，而三星的5nm芯片则约为127 MTr/mm2。

尽管这一切听起来不错，但要记住，IBM的这颗2nm芯片仍在概念阶段的证明，而建立在2nm技术节点上的处理器仍可能需要数年的时间。

对于更多有关这颗2nm芯片的技术细节，IBM目前暂未对外透露。

距离量产还有数年时间

有业内人士指出，IBM的这颗2nm芯片的最后去向，很可能是该公司的云服务器当中，从而提升该数据中心的计算能力。

IBM表示，凭借IBM研究院在7 nm技术方面取得的进展，该公司研发的第一款商业化芯片产品将于今年晚些时候在基于Powe10的IBM Power Systems中首次亮相。

事实上，IBM早就将芯片制造部分交出去了，其更多拥有的是无晶圆业务部门，只负责上游芯片设计、研究之类的，所以突然发布了新的芯片技术，外界疑问大过肯定。

anandtech指，IBM是全球领先的未来半导体技术研究中心之一，尽管没有自己的芯片代工产品，但IBM与其他制造商合作为自己的制造设施开发IP，这是其一直保留芯片研发部门的原因之一。

需要指出的是，IBM在数据中心方面一直投入了大量资金与精力，并取得了一些效果。根据IDC统计显示，2020年第三季度，IBM和浪潮合作的浪潮商用机器以9.4％的市场份额排名第三。

所以，2nm芯片的算力提升对于IBM来说至关重要，也是其在行业提升的重要助力。

今年4月，IBM发布2021财年第一季度财报。报告显示，IBM第一季度营收为177.30亿美元，比去年同期的175.71亿美元增长1%；净利润为9.55亿美元，同比下降19%。但该公司云及认知软件部门，营收同比增长4%。

IBM表示，距离将上述技术投入量产还需花费数年时间，接下来，该公司计划继续研究与开发用于消费电子产品的2nm芯片技术。

（本文首发钛媒体App，作者｜林志佳）

IBM最新路线计划制造以量子为中心的超级计算机

澎湃新闻记者 王蕙蓉

近日，IBM公司公布了最新路线图，计划在2025年推出具有1386个量子比特的多芯片量子计算机，以面向未来以量子为中心的超级计算时代。

1386个量子比特的多芯片计算机Kookaburra，三张芯片可组成4158个量子比特系统，图片来自IBM

以量子为中心的超级计算机

两年前，IBM发布了首个路线图“草图”：一项发展量子计算技术的三年计划，也可称为发展路线图。

此次，IBM更新了前述线路图，计划将QPU（量子处理单元）、CPU（中央处理器）和GPU（图像处理单元）编织到一个计算结构中，以解决超出传统资源范围的问题。

最新路线图的目标是建造以量子为中心的超级计算机。它将结合量子计算机、经典计算机、量子通信网络和经典网络，使其协同工作，以彻底改变计算方式。因此，IBM需要解决拓展量子计算机规模的挑战，开发一个运行环境，提高量子计算的速度与质量，并引入一个无服务器(serverless)编程模型，使量子计算机和经典计算机可以流畅地协同工作。

为了达成这一目标，IBM在2016年将公司研发的第一台量子计算机服务放到云端，2017年推出首个编程量子计算机的开源软件开发工具包Qiskit，2019年推出首个集成量子计算机系统IBM Quantum System One，2021年发布127个量子比特的量子计算机“鹰”，并推出Qiskit Runtime运行环境，使经典系统和量子系统协同运行。

此次更新的路线图将延续到2025年，IBM表示届时将消除拓展量子硬件的主要障碍，同时开发出将量子集成到计算工作流程中的技术与工具。

除了量子计算机，IBM正尝试将整个计算领域引入一种范式转变。

多年来，以CPU为中心的超级计算机一直是主要的计算处理器，而在过去几年里，以人工智能为中心的超级计算机出现，CPU和GPU可以在庞大系统中协同工作，解决人工智能繁重的工作负载。

如今正迎来以量子为中心的超级计算机时代，IBM计划将QPU、CPU和GPU编织到一个计算结构中。IBM表示，以量子为中心的超级计算机将用于解决更复杂的问题、进行更具开创性的研究和开发更尖端的技术。

133个量子比特的“Heron”计算机，图片来自IBM

为无服务器量子计算做好准备

为了实现最新线路图，IBM表示还需要开发软件和基础设施，并针对不同用户需求和体验，开发不同的工具。

对于内核开发人员，IBM将交付并完善Qiskit Runtime：通过添加动态线路，允许量子测量的反馈和前馈来改变或引导操作过程，以扩展硬件功能，减少线路深度，允许使用不同线路构建模型，并允许对量子纠错核心的基本操作进行奇偶校验。

IBM计划在2023年使Qiskit Runtime能够运作并行的量子计算机，包括自动分配可并行化的任务，之后两年将在其中引入错误消除和抑制技术，为未来量子纠错奠定基础。

对于算法开发人员，IBM将逐步完善Qiskit Runtime服务的原语(primitives)。量子计算机的独特能力在于输出产生非经典概率分布，人们可以对概率分布进行从中采样或估计数量。原语作为一组核心功能，可以轻松高效地作用在这些分布上。

算法开发人员通常需要将问题分解成一系列较小的量子与经典程序，并使用一个编排层将数据流拼接到整体工作流程中。IBM将这种负责拼接的基础设施称为Quantum Serverless，其核心是支持量子与经典资源灵活组合，为开发人员分配所需要的计算资源。到2023年，IBM计划将Quantum Serverless集成到核心软件堆栈中，以实现线路编织等核心功能。线路编织技术是将较大线路分成小部分，在量子计算机上运行，然后利用经典计算机将结果重新组合在一起。

2022年初，IBM团队演示了一种称为纠缠锻造(entanglement forging)的线路编织方法，可以用相同数量的量子比特，将量子系统规模扩大一倍。此外，IBM还提出与经典通信并行的量子计算机将更快带来量子优势。

到2023年，IBM将开始为特定用例构建量子应用软件原型，并进行首个机器学习测试用例。到2025年，模型开发人员将能够探索机器学习、优化、自然科学等领域的量子应用。

IBM发布的最新路线图，图片来自IBM

解决量子计算机规模扩展问题

量子计算的核心是能使量子程序运行的硬件，这可能需要数十万甚至数百万个高质量的量子比特，因此必须扩大量子计算机规模。对此，IBM表示将分别于2022年和2023年推出433个量子比特的“鱼鹰”(Osprey)计算机和1121个量子比特的“秃鹰”(Condor)计算机，测试单芯片计算机的极限，并将其集成到IBM Quantum System Two中的大规模量子系统。目前，IBM正在尝试将量子计算机连接到一起，以形成模块化系统，从而使规模的扩展不受物理条件限制。

为进一步解决规模扩展问题，IBM将采用三种循序渐进的方式：首先，在2023年引入“Heron”，一款具有133个量子比特的计算机，允许不同计算机之间的实时经典通信，从而实现前述编织技术；然后启用多芯片计算机来扩展量子计算机规模，推出408个量子比特计算机“Crossbill”，包含三个通过耦合器连接的芯片，以实现模块化扩展；之后，于2024年推出内置量子通信链路、462个量子比特计算机“Flamingo”，并将三个Flamingo组成1386个量子比特系统，以通过计算机之间的量子通信实现并行。IBM预计这种链路将导致跨处理器的量子门速度较慢、保真度较低，因此需要软件配合，以更好地利用系统。

IBM表示，最终将把前述方法结合在一起，于2025年推出具有1386个量子比特、带有量子通信链路的多芯片量子计算机“Kookaburra”，并利用三块Kookaburra芯片组成4158个量子比特系统作为演示，为用户提供大规模系统服务。

责任编辑：李跃群

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