FinFET與傳統(tǒng)的平面晶體管MOSFET相比，顯著減少了短溝道效應(yīng)，也成功帶領(lǐng)整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)跟著摩爾定律，從20nm走到了4nm、5nm的工藝節(jié)點(diǎn)上。然而隨著工藝進(jìn)一步推進(jìn)，F(xiàn)inFET硅鰭越來(lái)越薄的厚度已經(jīng)在抑制短溝道效應(yīng)上愈發(fā)吃力，況且為了在同樣的面積下實(shí)現(xiàn)更大的有效寬度，硅鰭的高度也在持續(xù)增加。

很明顯，在我們正式進(jìn)入2nm和3nm時(shí)代后，只靠EUV光刻機(jī)是沒(méi)辦法帶領(lǐng)我們走進(jìn)埃米級(jí)了，晶體管結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新迫在眉睫。無(wú)論是研究機(jī)構(gòu)還是代工廠，也都紛紛達(dá)成共識(shí)，認(rèn)為GAA這樣的全環(huán)繞晶體管架構(gòu)才是未來(lái)，尤其是三星。

首發(fā)GAA的三星

從近幾年推出的高通手機(jī)SoC，比如驍龍888和8 Gen 1的風(fēng)評(píng)來(lái)看，大部分人都將發(fā)熱的鍋丟給了三星，雖然這也有IP、設(shè)計(jì)的原因在，但代工廠的工藝水平肯定逃不開(kāi)關(guān)系。對(duì)任何一家代工廠來(lái)說(shuō)，這樣的用戶風(fēng)評(píng)和客戶口碑都不利于運(yùn)營(yíng)，三星似乎打算以3nm+GAA一雪前恥，于是今年6月底，三星率先宣布正式開(kāi)始3nm芯片的量產(chǎn)。

盡管首發(fā)已經(jīng)板上釘釘，三星的3nm客戶依然是未知數(shù)，根據(jù)韓媒的爆料，三星3nm的首發(fā)客戶為中國(guó)礦機(jī)芯片廠商磐矽半導(dǎo)體公司，考慮到獲得量產(chǎn)的是3GAE這個(gè)早期工藝節(jié)點(diǎn)，礦機(jī)芯片廠商愿意嘗鮮也很合理，畢竟這類廠商在5nm工藝上也是先行者之一。

據(jù)傳高通也預(yù)定了三星的3nm產(chǎn)能，但高通可能已經(jīng)記住了上次吃的虧，消息表示高通與三星簽訂了協(xié)議，前者可以隨時(shí)向三星要求3nm的產(chǎn)能支持。所以這次GAA技術(shù)的加入是否能真的將能效比提上去，我們還得看后續(xù)產(chǎn)品的驗(yàn)證，尤其是可能在明年才會(huì)推出的下一代3nm節(jié)點(diǎn)3GAP。

GAA能拯救“火龍”嗎？

話雖如此，這并不影響我們對(duì)GAA技術(shù)做一個(gè)簡(jiǎn)單的預(yù)期，畢竟三星對(duì)這一技術(shù)的宣傳可謂不遺余力，也是最早布局GAA技術(shù)的Foundry廠商。早在2019年，三星就宣布3nm GAA工藝的PDK 0.1版本已經(jīng)放出，并將三星版本的GAA技術(shù)命名為MBCFET。三星當(dāng)時(shí)做對(duì)比的工藝是7nm，稱芯片面積減少45%的同時(shí)，可將功耗降低50%或是將性能提升35%。

三星的納米片GAA技術(shù)MBCFET / 三星

以上畢竟是早期的參考數(shù)據(jù)，三年過(guò)去，現(xiàn)有的參數(shù)肯定已經(jīng)有了一定的優(yōu)化改善，拿出去宣傳也缺乏賣(mài)點(diǎn)。于是三星在今年換了一個(gè)參考對(duì)象，即5nm FinFET工藝。根據(jù)三星的說(shuō)法，3nm+第一代GAA技術(shù)（3GAE）可以將功耗降低45%，或是將性能提高23%，芯片面積減少16%。而第二代GAA技術(shù)（3GAP）可以將功耗降低50%，或?qū)⑿阅芴岣?0%，芯片面積減少35%。

從這些參數(shù)足以看出三星的意圖了，第一代GAA畢竟是新技術(shù)首秀，三星為了不翻車(chē)還是比較保守，所以先解決此前的高功耗問(wèn)題才是最重要的。第二代GAA在晶體管密度上更加激進(jìn)，這才是三星真正與臺(tái)積電硬碰硬的王牌，畢竟在三星與臺(tái)積電在同命名的工藝上進(jìn)度差不多，實(shí)際晶體管密度還是遜色于臺(tái)積電的。不過(guò)三星其實(shí)并沒(méi)有挑明對(duì)比的5nm工藝選用了哪個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以我們也沒(méi)法拿兩家的晶體管密度作個(gè)準(zhǔn)確的對(duì)比。

除了以上這些提升以外，GAA與FinFET相比，也帶來(lái)了更高的設(shè)計(jì)靈活性。以FinFET為例，在同一工藝內(nèi)提供了固定硅鰭數(shù)量的不同設(shè)計(jì)方案，比如英特爾的10nm HD庫(kù)為2P3N的硅鰭數(shù)量，HP庫(kù)為3P4N的硅鰭數(shù)量。而GAA除了堆疊納米片以外，還可以改變納米片的寬度來(lái)提供不同的性能/功耗選擇，比如寬度越大，性能也就越強(qiáng)，當(dāng)然功耗也會(huì)越高，這樣即便是同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)者也有更靈活的選擇。

與此同時(shí)，為了將GAA盡快投入市場(chǎng)，三星不想把其MBCFET打造成與成熟的FinFET工藝不兼容的新技術(shù)，所以從設(shè)計(jì)之初，三星就盡可能去做兼容設(shè)計(jì)。從其工藝兼容性的分布圖上來(lái)看，除了部分前段工序確實(shí)無(wú)法做到兼容以外，中段和后段工序都已經(jīng)做到了完全兼容。正因?yàn)楹蠖喂ば蛟O(shè)計(jì)規(guī)則相同，如果你已經(jīng)是三星4nm的工藝客戶，也已直接將該節(jié)點(diǎn)下的IP移植到3nm GAA工藝上。

GAA并非獨(dú)此一家

臺(tái)積電工藝路線圖 / 臺(tái)積電

大家也都知道，三星最大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手臺(tái)積電選擇了在3nm及之前的工藝維持目前的FinFET，直到2024 年的2nm才引入GAA工藝，而且同樣選擇與三星一樣的納米片結(jié)構(gòu)。作為目前晶圓代工行業(yè)的龍頭，臺(tái)積電一向是選擇穩(wěn)健地追求先進(jìn)工藝，這才從客戶那收獲了不錯(cuò)的口碑。

根據(jù)臺(tái)積電近期給出的數(shù)據(jù)，從N3E到N2，同等功耗下，性能提升只有10%到15%左右，這對(duì)于指望性能飆升的HPC客戶來(lái)說(shuō)，肯定不是一個(gè)吸引人的數(shù)字。不過(guò)在同樣的性能下，N2的功耗比N3E低上25%到30%，這對(duì)于移動(dòng)SoC客戶來(lái)說(shuō)倒也不賴。這樣的參數(shù)側(cè)面說(shuō)明了臺(tái)積電在GAA上求穩(wěn)的態(tài)度，但考慮到臺(tái)積電每個(gè)工藝上都會(huì)有不同的密度節(jié)點(diǎn)，所以或許在下一代2nm節(jié)點(diǎn)上，我們能見(jiàn)到更大的性能提升。

RibbonFET技術(shù)示意圖 / 英特爾

至于英特爾定下的趕超計(jì)劃中，2024年上半年的Intel 20A工藝將用上自己的GAA版本，RibbonFET，雖然命名不同，但其原理基本一致，而且英特爾對(duì)此沒(méi)有透露過(guò)多的細(xì)節(jié)，看來(lái)這一技術(shù)也還在積極研發(fā)階段。

值得一提的是，索尼似乎也有開(kāi)發(fā)和利用GAA技術(shù)的打算。2020年年末，索尼從英特爾那收購(gòu)了35項(xiàng)技術(shù)專利，其中10項(xiàng)專利與GAA有關(guān)，3項(xiàng)專利與FinFET有關(guān)。作為一家半導(dǎo)體業(yè)務(wù)主要集中在圖像傳感器上的廠商，索尼是否打算借此打造新架構(gòu)的圖像傳感器呢？

雖然其在圖像傳感器上占據(jù)霸主地位，但索尼從未展現(xiàn)過(guò)在先進(jìn)晶體管技術(shù)上的野心，依筆者的見(jiàn)解，此處可能還是對(duì)新技術(shù)的早期布局，畢竟索尼的一大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星也是圖像傳感器巨頭，如果GAA真的能給三星的ISOCELL系列帶來(lái)巨大的突破，三星肯定不會(huì)悶不作聲的，從目前三星在GAA上申請(qǐng)的專利和發(fā)表的論文來(lái)看，三星對(duì)GAA技術(shù)的期待目前還是停留在邏輯電路和存儲(chǔ)上。

寫(xiě)在最后

從目前幾家廠商給出的參數(shù)來(lái)看，GAA并不是什么跨時(shí)代的突破性技術(shù)，只是半導(dǎo)體制造行業(yè)為了延續(xù)摩爾定律的一大對(duì)策而已。GAA或許能夠拯救三星在功耗發(fā)熱上的困境，但要想真的做到拉開(kāi)差距，還是不太現(xiàn)實(shí)，倒是英特爾能借此真正趕上臺(tái)積電和三星，甚至有可能在未來(lái)實(shí)現(xiàn)超越。可大家萬(wàn)萬(wàn)不能忽略一點(diǎn)，晶圓制造同樣是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)業(yè)，三星有了5nm上的災(zāi)難，英特爾在7nm上出了差錯(cuò)，現(xiàn)在又有臺(tái)積電3nm出現(xiàn)問(wèn)題的傳聞，沒(méi)到真正投入量產(chǎn)的那一刻，任哪一家跌落神壇都不意外。