3nm首发，GAA能成为三星的救星吗？

FinFET与传统的平面晶体管MOSFET相比，显著减少了短沟道效应，也成功带领整个半导体行业跟着摩尔定律，从20nm走到了4nm、5nm的工艺节点上。然而随着工艺进一步推进，FinFET硅鳍越来越薄的厚度已经在抑制短沟道效应上愈发吃力，况且为了在同样的面积下实现更大的有效宽度，硅鳍的高度也在持续增加。很明显，在我们正式进入2nm和3nm时代后，只靠EUV光刻机是没办法带领我们走进埃米级了，晶体管结构的创新迫在眉睫。无论是研究机构还是代工厂，也都纷纷达成共识，认为GAA这样的全环绕晶体管架构才是未来，尤其是三星。首发GAA的三星从近几年推出的高通手机SoC，比如骁龙888和8 Gen 1的风评来看，大部分人都将发热的锅丢给了三星，虽然这也有IP、设计的原因在，但代工厂的工艺水平肯定逃不开关系。对任何一家代工厂来说，这样的用户风评和客户口碑都不利于运营，三星似乎打算以3nm+GAA一雪前耻，于是今年6月底，三星率先宣布正式开始3nm芯片的量产。尽管首发已经板上钉钉，三星的3nm客户依然是未知数，根据韩媒的爆料，三星3nm的首发客户为中国矿机芯片厂商磐矽半导体公司，考虑到获得量产的是3GAE这个早期工艺节点，矿机芯片厂商愿意尝鲜也很合理，毕竟这类厂商在5nm工艺上也是先行者之一。据传高通也预定了三星的3nm产能，但高通可能已经记住了上次吃的亏，消息表示高通与三星签订了协议，前者可以随时向三星要求3nm的产能支持。所以这次GAA技术的加入是否能真的将能效比提上去，我们还得看后续产品的验证，尤其是可能在明年才会推出的下一代3nm节点3GAP。GAA能拯救“火龙”吗？话虽如此，这并不影响我们对GAA技术做一个简单的预期，毕竟三星对这一技术的宣传可谓不遗余力，也是最早布局GAA技术的Foundry厂商。早在2019年，三星就宣布3nm GAA工艺的PDK 0.1版本已经放出，并将三星版本的GAA技术命名为MBCFET。三星当时做对比的工艺是7nm，称芯片面积减少45%的同时，可将功耗降低50%或是将性能提升35%。三星的纳米片GAA技术MBCFET / 三星以上毕竟是早期的参考数据，三年过去，现有的参数肯定已经有了一定的优化改善，拿出去宣传也缺乏卖点。于是三星在今年换了一个参考对象，即5nm FinFET工艺。根据三星的说法，3nm+第一代GAA技术（3GAE）可以将功耗降低45%，或是将性能提高23%，芯片面积减少16%。而第二代GAA技术（3GAP）可以将功耗降低50%，或将性能提高30%，芯片面积减少35%。从这些参数足以看出三星的意图了，第一代GAA毕竟是新技术首秀，三星为了不翻车还是比较保守，所以先解决此前的高功耗问题才是最重要的。第二代GAA在晶体管密度上更加激进，这才是三星真正与台积电硬碰硬的王牌，毕竟在三星与台积电在同命名的工艺上进度差不多，实际晶体管密度还是逊色于台积电的。不过三星其实并没有挑明对比的5nm工艺选用了哪个节点，所以我们也没法拿两家的晶体管密度作个准确的对比。除了以上这些提升以外，GAA与FinFET相比，也带来了更高的设计灵活性。以FinFET为例，在同一工艺内提供了固定硅鳍数量的不同设计方案，比如英特尔的10nm HD库为2P3N的硅鳍数量，HP库为3P4N的硅鳍数量。而GAA除了堆叠纳米片以外，还可以改变纳米片的宽度来提供不同的性能/功耗选择，比如宽度越大，性能也就越强，当然功耗也会越高，这样即便是同一个节点，设计者也有更灵活的选择。与此同时，为了将GAA尽快投入市场，三星不想把其MBCFET打造成与成熟的FinFET工艺不兼容的新技术，所以从设计之初，三星就尽可能去做兼容设计。从其工艺兼容性的分布图上来看，除了部分前段工序确实无法做到兼容以外，中段和后段工序都已经做到了完全兼容。正因为后段工序设计规则相同，如果你已经是三星4nm的工艺客户，也已直接将该节点下的IP移植到3nm GAA工艺上。GAA并非独此一家台积电工艺路线图 / 台积电大家也都知道，三星最大的竞争对手台积电选择了在3nm及之前的工艺维持目前的FinFET，直到2024 年的2nm才引入GAA工艺，而且同样选择与三星一样的纳米片结构。作为目前晶圆代工行业的龙头，台积电一向是选择稳健地追求先进工艺，这才从客户那收获了不错的口碑。根据台积电近期给出的数据，从N3E到N2，同等功耗下，性能提升只有10%到15%左右，这对于指望性能飙升的HPC客户来说，肯定不是一个吸引人的数字。不过在同样的性能下，N2的功耗比N3E低上25%到30%，这对于移动SoC客户来说倒也不赖。这样的参数侧面说明了台积电在GAA上求稳的态度，但考虑到台积电每个工艺上都会有不同的密度节点，所以或许在下一代2nm节点上，我们能见到更大的性能提升。RibbonFET技术示意图 / 英特尔至于英特尔定下的赶超计划中，2024年上半年的Intel 20A工艺将用上自己的GAA版本，RibbonFET，虽然命名不同，但其原理基本一致，而且英特尔对此没有透露过多的细节，看来这一技术也还在积极研发阶段。值得一提的是，索尼似乎也有开发和利用GAA技术的打算。2020年年末，索尼从英特尔那收购了35项技术专利，其中10项专利与GAA有关，3项专利与FinFET有关。作为一家半导体业务主要集中在图像传感器上的厂商，索尼是否打算借此打造新架构的图像传感器呢？虽然其在图像传感器上占据霸主地位，但索尼从未展现过在先进晶体管技术上的野心，依笔者的见解，此处可能还是对新技术的早期布局，毕竟索尼的一大竞争对手三星也是图像传感器巨头，如果GAA真的能给三星的ISOCELL系列带来巨大的突破，三星肯定不会闷不作声的，从目前三星在GAA上申请的专利和发表的论文来看，三星对GAA技术的期待目前还是停留在逻辑电路和存储上。写在最后从目前几家厂商给出的参数来看，GAA并不是什么跨时代的突破性技术，只是半导体制造行业为了延续摩尔定律的一大对策而已。GAA或许能够拯救三星在功耗发热上的困境，但要想真的做到拉开差距，还是不太现实，倒是英特尔能借此真正赶上台积电和三星，甚至有可能在未来实现超越。可大家万万不能忽略一点，晶圆制造同样是一个风险产业，三星有了5nm上的灾难，英特尔在7nm上出了差错，现在又有台积电3nm出现问题的传闻，没到真正投入量产的那一刻，任哪一家跌落神坛都不意外。

经在吃力效应行业

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