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IBM的另一面:半导体市场的曾经王者

2019-06-17来源: 半导体行业观察关键字:IBM

近日,IBM发布了2019财年第一季度财报,财报显示,IBM第一季度营收为181.8亿美元,较去年同期的190.7亿美元同比下降5%,且低于分析师预期的184.6亿美元。净利润为15.9亿美元,较去年同期的16.8亿美元同比下将5%。至此,IBM营收已经连续三个季度下降。外媒报道,IBM将迎来新一波的裁员,裁员人数约为1700人左右。看来IBM又要进行新一轮的转型了。


关于IBM的百年丰功伟绩相信懂行的人也都了解的七七八八了,过多的历史笔者就不再一一赘述了。业界对于IBM的认识,大多可能认为它是一家大型计算机公司及软件供应商,是一家技术服务型公司,擅长于提供软件支持。我想提的是,实际上IBM对于全球半导体业的贡献也不容小觑。


IBM对半导体的贡献


在全球半导体工业发展历程中IBM曾推出多项突破性的半导体技术,对于产业发展作出巨大贡献:


1960年IBM开发出了倒装芯片封装技术,为了降低成本,提高速度,提高组件可靠性,FC使用在第1层芯片与载板接合封装,封装方式为芯片正面朝下向基板,无需引线键合,形成最短电路,降低电阻;采用金属球连接,缩小了封装尺寸,改善电性表现,解决了BGA为增加引脚数而需扩大体积的困扰。


1966年IBM 科学家:Robert Dennard在家里欣赏 Croton River Gorge 的落日余晖时,躺在客厅沙发上灵感闪现,从而提出了单晶体管DRAM的想法,1970年,Intel采用三个晶体管单元设计方法推出了大获成功的1KB DRAM芯片,而多家制造商在20世纪70年代中期使用 Dennard的单晶体管单元制造出了 4KBx 芯片,后来经过一波波的创新,成就了当时容量高达4,000,000,000比特的DRAM芯片。


IBM 科学家Robert Dennard


1974年,IBM研究院的研究员John Cocke和他的团队开始设计电话交换控制器。他们成功设计了采用精简指令集计算机 (RISC) 架构计算机原型。第一台采RISC(精简指令集计算机)架构的计算机原型由IBM 在1980年研制而成。直到今天,这种架构仍应用在几乎每台计算设备中。


IBM研究员John Cocke


1982年,IBM的Kanti Jain开创性的提出了“excimer laser lithography(准分子激光光刻)”,并进行了演示,现在准分子激光光刻机器(步进和扫描仪)在全球集成电路生产中得到广泛使用。在过去的30年中,准分子激光光刻技术一直是摩尔定律持续推进的关键因素。


1994年,IBM研究院从硅锗 (SiGe) 中制造低成本半导体芯片的方法获得了专利。SiGe是Meyerson在一次事故中发现的,随后经过不断研究中发现,SiGe比当时更稀有、更昂贵的材料更容易活动,而且改进了集成电路的速度和通用性。将锗引入全硅芯片基层中可以显著改进运行频率、电流、噪声和动力。这些更廉价、体积更小、能效更高的芯片拓展了无线行业。如今,SiGe 技术为新一代移动设备和智能技术提供了强大动力。



1997年,IBM研究院宣布用铜互连技术制造芯片将比使用铝而使芯片更快、更小、更廉价时,这在技术行业中投下了一颗重磅炸弹。与铝相比,铜线导电电阻低大约40%,使得微处理器的速度再提高15%。在这之后,更小、更高效的芯片技术不断被开发,而这依赖于过去 15年的铜互连技术的进步才能得以实现。即使随着新的“亿亿次”技术的进步,例如纳米光子—使用光脉冲以“亿亿次”速度传送数据,铜将继续成为微处理器设计与演进的最根本元件。这项突破导致行业出现了新的转折点,并使IBM成为全球领导者。



除此之外,IBM还取得了多个创新,如①low-k绝缘体,这种技术使用 SiLK来防止铜线“串扰”;②绝缘硅(SoI),在硅表面之间放上很薄的一层绝缘体,可以防止晶体管的“电子效应”,这样可以实现更高的性能和更低的功耗;③应变硅,这种技术对硅进行拉伸,从而加速电子在芯片内的流动,不用进行小型化就可以提高性能和降低功耗。如果与绝缘硅技术一起使用,应变硅技术可以更大程度地提高性能并降低功耗。


2002年,Stuart Parkin开始考虑硬盘驱动器和存储器芯片的基本技术的局限性—并且考虑是否有更好的方式设计一种无需部件移动的磁盘驱动器。他利用基于自旋电子学的存储器概念设计出了赛道存储器,并且在2004年获得了他的第一项专利。


IBM研究员Stuart Parkin


IBM的POWER处理器也将半导体技术推向了新的高潮:


  • 1990年,IBM推出了集成有80万个晶体管的POWER1,这预示着IBM POWER全新架构的开始。POWER1后来也充当了火星探路者的中央处理器,协助人类完成了迄今为止最为成功的星际探测计划之一。它也是后来PowerPC产品线的先驱。


  • 1993年11月,IBM推出了POWER1的增强版POWER2,它拥有55至71.5MHz的时钟频率,32KB指令缓存,256KB数据缓存,该处理器成为当时性能最高的处理器,一直被使用到1998年。


  • 1994年5月,IBM推出POWER2的改进型POWER2+,该处理器芯片拥有二级缓存,而且L2可达512KB、1MB或者2MB。


  • 1998年IBM发布POWER3处理器芯片,该处理器每个芯片中集成了1500万个晶体管。


  • 2001年IBM推出了POWER4芯片,这种芯片中集成了1亿7400万个晶体管,POWER4 继承了POWER3芯片的所有优点,每个处理器都可以并行执行200条指令。。


  • 2004年,IBM采用90纳米工艺开发出低功耗、高性能的新型微处理器—64位的PowerPC 970FX,在970FX上,硅拉伸(strained silicon)、绝缘硅(SOI)与铜制程(copper wiring)3种制造技术结合在了一起。


  • 2004年,IBM推出POWER5芯片,POWER5是首个支持“并发多线程”的处理器,拥有比上一代POWER4处理器性能提高4倍的功能。POWER5是IBM当时有史以来最强大的64位处理器。


  • 2005年发布POWER5+,新的POWER5+处理器被称为“片上服务器”(server on a chip)。


  • 2007年5月,IBM推出POWER6处理器。该处理器突破了4GHz主频,最高可以实现5.0GHz。


  • 2009年4月,IBM发布了Power6+处理器。


  • 2010年2月,IBM公司发布了新一代的POWER7处理器。POWER7是IBM自2007年5月推出上一代产品POWER6以来的最新巅峰之作,也把UNIX服务器推向了新的高度。


关于IBM的代工服务,也很值得一提,IBM于1988年在Vermont创建200mm生产线,并在East Fishkill于2001年创建300mm的R&D线,2002年投资超过25亿美元,兴建世界上最先进的300毫米晶园制造生产线,并开展代工服务。


2004年,AMD与IBM签订协议,共同开发新的65纳米和45纳米逻辑制程技术。根据协议,在研发期间AMD将支付给IBM大约2.5亿~2.8亿美金。作为回报,AMD有权采用IBM部分先进的制造技术,包括C-4芯片封装技术。


2004年3月,三星公司宣布与IBM、新加坡特许半导体制造公司(Chartered Semiconductor Manufacturing)和英飞凌达成战略性半导体技术开发合作关系。结成合作伙伴关系的4家公司重点关注65纳米及45纳米芯片技术。


2015年7月,由IBM研究院牵头的合作伙伴GlobalFoundries,三星电子及纽约州立大学(SUNY)理工学院的纳米科学和工程学院(SUNY Poly CNSE)共同协作,制造出业界首款7纳米节点测试芯片,该芯片具备了在指甲盖大小的芯片上放置200亿只晶体管的能力,能够为各种智能设备提供计算能力,小到智能手机,大到宇宙飞船。7纳米节点这一里程碑成就,继承了IBM硅片和半导体创新的悠久传统。



2016年11月16日,IBM 的研究人员已经找到如何使用纳米碳管制造微型晶片的方法,这一成果可以让我们制造更强的晶片,使得曲面电脑、可注射晶片成为可能。


2017年,IBM官方博客透露,其已发明了一种可以运行在100万个相变内存(PCM)上的无监督式机器学习算法,业界认为,相变存储器是首款既具有 DRAM 特性又具有闪存特性的通用存储器装置,因此可解决业界面临的重大挑战之一,也许,一个存储革命真的要开启了。


IBM之于中国半导体


IBM对中国半导体的发展有着不可磨灭的作用,业界可能知之甚少,华为的海思曾是IBM半导体制造的最大客户,并且IBM半导体也是华为海思在芯片制造上的重要合作伙伴。


1998年,经任正非发起,推动了在华为研发内部进行的“向美国人学习”、“向IBM学习”的活动,任正非非常钦佩郭士纳,作为IBM的灵魂人物,他不仅具有罕见的坚强意志和变革的勇气,而且为人处世极端低调。任正非认为,华为要像IBM一样强大,仅仅自己以郭士纳为榜样还不够,整个华为需要向郭士纳虔诚拜师学艺。


任正非总裁在IBM总部听取汇报现场,左一为郭士纳


1998年华为还在位于深圳南山区科发路科技园办公,为了迎接IBM 50位顾问的到来,任正非亲自上阵指挥,把非常拥挤的华为总部腾出很多临海的房间,按照IBM风格进行布置并购买了新的办公家具。


50位IBM老师抵达华为


1999年2月,华为正式聘请IBM公司做顾问,花费5000万元开展IPD(集成产品研发流程)咨询项目。经过一系列的整治改革,华为今天的成绩大家也都看到了,一个令美国都忌惮的企业,华为成功了!


华为/海思不仅是IBM半导体制造这块最大的客户,并且也是华为/海思在芯片制造上的重要合作伙伴:华为/海思很多的芯片,尤其是ASIC芯片都是在IBM完成的;而IBM制造的多数产能也是华为/海思提供的,双方有着长远、深厚的合

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