2020 年 9 月 16 日，蘋(píng)果在秋季第一場(chǎng)新品發(fā)布會(huì)上推出了 A14 仿生芯片，在 5nm 工藝節(jié)點(diǎn)上成功搶得先機(jī)。
接下來(lái)，猶抱琵琶半遮面的華為麒麟 9000 系列芯片也將在 10 月 22 日隨 Mate40 系列手機(jī)一起推出，采用的自然也是 5nm 工藝。
而 12 月 1 日 - 2 日，高通會(huì)在 2020 年驍龍技術(shù)峰會(huì)上發(fā)布新一代 5nm 旗艦芯片驍龍 875，為安卓終端提供更廣泛的支持。
這些芯片排隊(duì)發(fā)布，意味著半導(dǎo)體工藝 5nm 的時(shí)代正在全面到來(lái)。
其實(shí)，當(dāng)看到 5nm 的蘋(píng)果 A14 芯片發(fā)布時(shí)，小編心里突然涌上一陣感慨，半導(dǎo)體的制程工藝，從 10nm 到 7nm 再到現(xiàn)在的 5nm，進(jìn)化的幅度越來(lái)越小，但每進(jìn)一步，都是整個(gè)行業(yè)付出巨大研發(fā)成本的結(jié)果。
相信大家平時(shí)刷新聞時(shí)已經(jīng)有所了解，芯片的制程工藝越來(lái)越小，等于晶體管越做越小，當(dāng)工藝越來(lái)越接近極限時(shí)，難度就會(huì)呈指數(shù)級(jí)上升。
仿佛一個(gè)學(xué)生，將考分從 60 分提升到 80 分也許不難，但將分?jǐn)?shù)從 95 分提升到 100 分，就很不容易。
最好的例子就是芯片巨頭英特爾在 14nm 節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)達(dá) 5 年的停滯，一度讓 “摩爾定律已死”的言論甚囂塵上。
好在另一方面，臺(tái)積電和三星在制程技術(shù)上突飛猛進(jìn)，從 10nm 到 7nm 再到今年的 5nm，一路順利推進(jìn)，并超越了英特爾。
盡管后兩者在制程名稱上有玩 “數(shù)字游戲”的成分，但他們對(duì)推進(jìn)半導(dǎo)體制程技術(shù)進(jìn)化、延續(xù)摩爾定律所做的貢獻(xiàn)有目共睹。
這些年來(lái)，芯片制程工藝能夠不斷微縮，性能可以不斷增強(qiáng)，都有賴于整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)以及學(xué)術(shù)領(lǐng)域的勇敢創(chuàng)新和不懈努力。
而當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步微縮，5nm 之后的 3nm、2nm、1nm，新的問(wèn)題又會(huì)出現(xiàn)，甚至原來(lái)拯救摩爾定律的 3D FinFET 晶體管都將無(wú)法應(yīng)對(duì)極限微觀世界的要求。
接下來(lái)，我們會(huì)越來(lái)越頻繁地聽(tīng)到一個(gè)新名詞——GAA（環(huán)繞式柵極技術(shù)晶體管）。
什么是 GAA 環(huán)繞式柵極技術(shù)晶體管？這篇文章IT之家就和大家一起了解一下。
1、從 3D FinFET 到 GAA，5nm 之后就靠它了
作為取代 3D FinFET 晶體管的全新技術(shù)，其實(shí) GAA 環(huán)繞式柵極技術(shù)晶體管和 3D FinFET 有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，因此我們需要從 3D FinFET 晶體管說(shuō)起。
在《臺(tái)積電 5 納米吊打英特爾 10 納米？別糾結(jié)了，這只是 “數(shù)字游戲”》一文中，其實(shí)IT之家已經(jīng)為大家介紹過(guò) 3D FinFET 晶體管，這里再簡(jiǎn)單回顧一下。
其實(shí)所謂晶體管，用通俗易懂的話來(lái)講，就是用半導(dǎo)體材料制作的電流開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。左邊一個(gè)源極（半導(dǎo)體），右邊一個(gè)漏極（半導(dǎo)體），中間加個(gè)柵極（金屬），讓柵極來(lái)控制電流從源極到漏極的通斷。
在過(guò)去，柵極和源極、漏極之間接觸的地方是一個(gè)平面，形狀差不多是一個(gè)矩形，柵極正是依靠這個(gè)接觸面來(lái)對(duì)源極和漏極的電流進(jìn)行控制。
可是，晶體管越做越小，這個(gè)接觸面的寬度（其實(shí)就是柵極的寬度）也越來(lái)越窄，當(dāng)窄到一定程度時(shí)（大概是 20nm 左右），柵極對(duì)電流的控制力就會(huì)大幅減弱。
控制力減弱，就會(huì)導(dǎo)致源極的電流穿透柵極，直接和漏極導(dǎo)通，這種情況叫漏電。很顯然，漏電不是個(gè)好事情，它會(huì)導(dǎo)致芯片發(fā)熱量急劇上升。
所以半導(dǎo)體工藝進(jìn)化之路在 20nm 左右曾一度面臨停滯，摩爾定律遭受威脅。
怎么辦呢？其實(shí)只要柵極和源極、漏極之間的接觸面積足夠大，就能控制住電流。這個(gè)接觸面的寬度不能增加，那就只能增加長(zhǎng)度了。
1999 年華人教授胡正明帶領(lǐng)加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了 FinFET 晶體管技術(shù)和 UTB-SOI 技術(shù)，解決了上面說(shuō)的問(wèn)題。
其中，F(xiàn)inFET 晶體管技術(shù)是我們聽(tīng)過(guò)最多的。它的解決思路就是改造晶體管的結(jié)構(gòu)，將源極和漏極做成像鰭片一樣直立的樣子，然后讓柵極三面包圍住鰭片，就像下面這樣。
這樣，等于是讓柵極的寬度不變，通過(guò)巧妙地增加長(zhǎng)度，來(lái)大大增加接觸面積，從提升對(duì)電流的控制。
換句話說(shuō)，原來(lái)只有一個(gè)接觸面，現(xiàn)在有三個(gè)了，哪怕柵極寬度在進(jìn)一步縮小，也不怕。
由于這種鰭片結(jié)構(gòu)是立體的形態(tài)，所以也叫做 3D FinFET。
3D FinFET 技術(shù)的出現(xiàn)解決了晶體管工藝縮小引發(fā)的漏電的問(wèn)題，讓半導(dǎo)體的制程可以進(jìn)一步推進(jìn)。
隨后，經(jīng)過(guò)十多年的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，英特爾在 2011 年首先推出了使用 22nm FinFET 工藝的第三代 Core 處理器，這標(biāo)志著摩爾定律的延續(xù)。
胡正明教授也被人們稱為 FinFET 教父，以及 “拯救摩爾定律的男人”。
而 3D FinFET 技術(shù)也伴隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，一路走到今天的 7nm、5nm 時(shí)代。
但是，隨著芯片制程的進(jìn)一步微縮，到了 5nm 之后的 3nm、2nm 等等，3D FinFET 也將迎來(lái)它的極限，鰭片距離太近、漏電重新出現(xiàn)，物理材料的極限都讓 3D FinFET 晶體管難以為繼。
還有隨著工藝微縮，假如原來(lái)一個(gè) FinFET 晶體管上可以放三個(gè)鰭片，現(xiàn)在只能放一個(gè)，所以就得把鰭片增高?？墒泅捚絹?lái)越高，到一定高度后，很難在內(nèi)部應(yīng)力作用下保持直立，F(xiàn)inFET 結(jié)構(gòu)就很難形成了。
總之就是，5nm 之后，3D FinFET 也不能用了。
這時(shí)候，就輪到 GAA 環(huán)繞式柵極技術(shù)晶體管技術(shù)登場(chǎng)了。
GAA 全稱 Gate-All-Around ，是一種環(huán)繞式柵極技術(shù)晶體管，也叫做 GAAFET。它的概念的提出也很早，比利時(shí) IMEC Cor Claeys 博士及其研究團(tuán)隊(duì)于 1990 年發(fā)表文章中提出。
其實(shí) GAAFET 相當(dāng)于 3D FinFET 的改良版，這項(xiàng)技術(shù)下的晶體管結(jié)構(gòu)又變了，柵極和漏極不再是鰭片的樣子，而是變成了一根根 “小棍子”，垂直穿過(guò)柵極，這樣，柵極就能實(shí)現(xiàn)對(duì)源極、漏極的四面包裹。
看起來(lái)，好像原來(lái)源極漏極半導(dǎo)體是鰭片，而現(xiàn)在柵極變成了鰭片。所以 GAAFET 和 3D FinFET 在實(shí)現(xiàn)原理和思路上有很多相似的地方。
不管怎么說(shuō)，從三接觸面到四接觸面，并且還被拆分成好幾個(gè)四接觸面，顯然，這次柵極對(duì)電流的控制力又進(jìn)一步提高了。
此外，GAA 的這種設(shè)計(jì)也可以解決原來(lái)鰭片間距縮小的問(wèn)題，并且在很大程度上解決柵極間距縮小后帶來(lái)問(wèn)題，例如電容效應(yīng)等。
總之，在 GAAFET 技術(shù)的巧妙幫助下，半導(dǎo)體制程工藝的進(jìn)化之路還將進(jìn)一步往前走，并將成為 5nm 之后大家經(jīng)常聽(tīng)到的關(guān)鍵詞。
2、三星、英特爾和臺(tái)積電，同樣的態(tài)度，不同的進(jìn)展
GAAFET 技術(shù)如此重要，顯然目前芯片代工的三巨頭英特爾、三星和臺(tái)積電都在積極備戰(zhàn)，準(zhǔn)備在 5nm 之后的節(jié)點(diǎn)上大干一場(chǎng)。
首先要說(shuō)明的是，前面我們講到源極到漏極的 “小棍子”，只是舉例，實(shí)際上也可以是其他形狀，例如圓柱狀、甚至是板狀的等等。
就這一點(diǎn)，目前行業(yè)里分幾種方案：
納米線，就是采用圓柱或者方形的截面；板片狀，顧名思義，就是源極漏極的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)成水平的板塊狀，通常會(huì)堆疊多個(gè)穿透柵極；六角形截面；納米環(huán)技術(shù)，就是穿透柵極的半導(dǎo)體為環(huán)形截面。在三巨頭中，目前最積極高調(diào)的是三星，他們采用的是第二種方案，也就是堆疊的板片狀方案。目前三星也是三巨頭中唯一一家公布自己在 GAA 上詳細(xì)技術(shù)方案的企業(yè)。
三星還給自家 GAA 技術(shù)取了個(gè)獨(dú)特的名字：Multi-Bridge Channel，簡(jiǎn)稱 MBCFET。
三星表示，他們會(huì)在 3nm 這一節(jié)點(diǎn)上使用 MBCFET 技術(shù)。MBCFET 相比納米線技術(shù)擁有更大的柵極接觸面積，從而在性能、功耗控制上會(huì)更加出色。
就板片狀的技術(shù)方案來(lái)說(shuō)，三星透露其目前設(shè)計(jì)每個(gè)晶體管上堆疊 3 條板片，板片厚度為 5nm，板片之間的距離為 10nm，同時(shí)柵極長(zhǎng)度為 12nm 等。
在具體表現(xiàn)方面，三星還稱第一代的 3nm MBCFET 相比 7nm FinFET 會(huì)有 35% 的性能提升，功耗會(huì)降低 50%，芯片面積則會(huì)縮減 45%，電壓則可以下降到 0.7V。
三星更是信心滿滿地表示，2020 年底，他們的 MBCFET 就可以開(kāi)始風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)，2021 年有望大規(guī)模量產(chǎn)，同時(shí) 2021 年他們還會(huì)推出第一代 MBCFET 的優(yōu)化版本。
值得一提的是，三星在 GAA 上也嘗試了其他技術(shù)方案，不同方案在性能、功率方面的表現(xiàn)也不同，未來(lái)可以根據(jù)芯片應(yīng)用場(chǎng)景的差異來(lái)匹配對(duì)應(yīng)的方案。
相比三星的激進(jìn)，臺(tái)積電這邊就相對(duì)保守了，目前他們已經(jīng)表示，3nm 節(jié)點(diǎn)上將會(huì)繼續(xù)打磨 FinFET 技術(shù)，而不是急于上馬 GAAFET。
主要原因是臺(tái)積電切入 GAA 技術(shù)的時(shí)間相對(duì)晚于三星，同時(shí)也為產(chǎn)業(yè)鏈平穩(wěn)過(guò)渡考慮。
至于什么時(shí)候會(huì)使用 GAA 技術(shù)，官方還沒(méi)有明確公布。但根據(jù)外界的消息，臺(tái)積電會(huì)在 2nm 節(jié)點(diǎn)上采用 GAA 技術(shù)。
臺(tái)積電已表示，2nm 研發(fā)生產(chǎn)將落腳新竹寶山，將規(guī)劃建設(shè) 4 個(gè)超大型晶圓廠，投入 8000 名工程師，目前已經(jīng)交付研發(fā)，根據(jù)規(guī)劃，2nm 工藝預(yù)計(jì)會(huì)在 2023 年開(kāi)始風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)，2024 年量產(chǎn)。
至于英特爾，按照他們的進(jìn)度，2021 年會(huì)推出 7nm 工藝，采用的仍然是目前的 SuperFinFET，而到 2023 年，他們會(huì)在 5nm 這個(gè)節(jié)點(diǎn)上放棄 FinFET 晶體管，轉(zhuǎn)向 GAA 環(huán)繞柵極晶體管。這個(gè)消息來(lái)自產(chǎn)業(yè)鏈，并非英特爾官方公布，但此前英特爾曾表示，將在 5nm 工藝重新奪回領(lǐng)導(dǎo)地位，由此來(lái)看，他們?cè)?2023 年的 5nm 節(jié)點(diǎn)上推出 GAA 工藝是大概率會(huì)發(fā)生的。
3、半導(dǎo)體行業(yè)還沒(méi)有到極限
就像 FinFET 工藝拯救了芯片產(chǎn)業(yè)，在 5nm 之后的時(shí)代，GAAFET 也將成為帶領(lǐng)半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。當(dāng)然，在這背后，每前進(jìn)一步，都是行業(yè)付出巨大努力的結(jié)果。
就以 GAA 技術(shù)來(lái)說(shuō)，三星透露其自家 3nm GAA 的研發(fā)成本比 5nm FinFET 更高，有可能超過(guò) 5 億美元，巨大的研發(fā)成本首先就是擺在行業(yè)面前的一道坎。
同時(shí) GAAFET 的工藝制造難度也是極高的，具體的細(xì)節(jié)這里就不說(shuō)了，最難的地方自然是如何讓柵極環(huán)繞源極和漏極的納米線，這里面的工藝極其復(fù)雜，也只有對(duì) FinFET 技術(shù)爐火純青的半導(dǎo)體巨頭才能應(yīng)對(duì)這樣的技術(shù)挑戰(zhàn)。
此外，和 GAA 技術(shù)配套的 EUV 極紫外光刻技術(shù)也需要進(jìn)一步成熟，解決光刻功率不夠以及光子噪音等問(wèn)題。
但好消息時(shí)，因?yàn)?GAA 相當(dāng)于傳統(tǒng) FinFET 的 “改良版”，因此生產(chǎn)制造的很多技術(shù)細(xì)節(jié)和步驟是可以共用的，這意味著像三星、臺(tái)積電和英特爾這些對(duì) FinFET 技術(shù)非常熟悉的巨頭，在 GAA 技術(shù)過(guò)渡時(shí)可能會(huì)比過(guò)去更加順暢，產(chǎn)業(yè)化的時(shí)間也可能會(huì)更短。
最后，IT之家想說(shuō)的是，GAA 技術(shù)的推進(jìn)，的確在很大程度上推進(jìn)半導(dǎo)體工藝特別是先進(jìn)制程上的發(fā)展。但隨著制程技術(shù)越來(lái)越接近物理極限，想要把芯片繼續(xù)做薄做小，先進(jìn)制程也并不是唯一的道路，材料、封裝等也都可以稱為突破的道路。
前面我們說(shuō)到的胡正明教授曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：
FinFE 證實(shí)了這個(gè)產(chǎn)業(yè)還有很多可以用我們的智慧來(lái)解決的問(wèn)題，我還真是看不到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)的極限。
這句話放在 GAA 上也適用，或者說(shuō)，只要這個(gè)世界仍然對(duì)運(yùn)算有需求，半導(dǎo)體行業(yè)的人們就會(huì)想出智慧的解決方案來(lái)拓寬行業(yè)的天花板，用他們的技術(shù)讓這個(gè)世界更加美好。