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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5月6日，IBM透露了它研制的世界上第一个2nm制程工艺芯片，并简要介绍了该技术最终可能用于未来的智能手机、笔记本电脑和小型移动装备等。

根据IBM的说法，在消耗相同功率的情况下，2nm处理器性能可提高45％；或者与基于7nm制程工艺的芯片相比，能耗可降低75％。该芯片能效比的显著提升具有重要意义，IBM研发总监Dario Gil表示，新芯片可以有助于解决可持续性和气候变化问题，当前的数据中心已占到全球能源使用量的1％。

该芯片芯片每平方毫米（MTr/mm2）上集成有约3.33亿个晶体管，相当于指甲大小的芯片上可容纳500亿个晶体管。相比之下，台积电最先进的芯片采用5nm制程工艺制造，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127MTr/mm2（每平方毫米约有1.27亿个晶体管）。

IBM是在其纽约州奥尔巴尼的实验室研制出2nm测试芯片。IBM混合云副总裁Mukesh Khare表示，IBM在奥尔巴尼工厂生产的300mm硅晶圆上生产了2nm技术里程碑。

据IBM称，2nm处理器将能够加速在人工智能、边缘计算、独立计算系统以及其他领域的应用。IBM表示将在其IBM Power Systems和IBM Z以及其他系统中使用该技术。

台积电和三星目前正在生产5nm芯片，而英特尔仍在艰苦的努力达到7纳米制程工艺。台积电计划在今年年底开工早投产其4nm的芯片工艺，可能首先用于联发科的4nm新芯片大批量生产在2022年。台积电的3nm节点预计要到2022年下半年，而2nm技术芯片仍处于相对较早的开发阶段。

所有这些计划都是理想状态，前提是不会遇到拖延的情况。但是我们看看英特尔的窘境就知道了，英特尔在过去十年左右的时间里出现了太多的先进制程工艺制造问题，直到现在仍然没有达到7nm节点，还在苦苦挣扎。甚至有消息称英特尔也要找台积电代工了，英特尔的IDM（设计、制造、封装测试到销售全部自己一肩挑的半导体垂直整合型公司）看来很难走下去了，这反映出目前半导体先进制程工艺的巨大技术难度。

尽管这款芯片听起来让人振奋，但必须知道的是，IBM的2nm芯片在很大程度上只是概念证明和测试。而建立在2nm节点上的量产芯片可能还有至少数年之遥，IBM预计这种2nm技术芯片将在2024年底投入生产。

这对于解决目前全球性缺芯下的半导体市场的供应链和制造困境，没有太大意义。

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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