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台积电在实现2nm工艺方面取得了重大突破

2020-11-24 16:54:00

　　据中国台湾媒体报道称，台积电（TSMC）在实现2nm工艺方面取得了重大突破，该工艺可以生产数十亿个晶体管，可能会突破摩尔定律放慢的局限。

　　台积电于去年成立了一个研发团队，以确定其2nm技术的发展道路。据供应链来源声称， TSMC 已经确定了一个新的多桥通道场效应晶体管（MBCFET）架构，解决了与使用 FinFET 控制工艺收缩漏电流相关的物理极限。

　　台积电此前曾表示，其2纳米技术的研发和生产将在保山和新竹进行，同时还进一步指出，它正计划拥有四个超大型晶圆厂，占地222英亩。

　　据台积电预计，2023年会进行小批量风险实验，未来苹果、高通、英伟达、AMD等都会成为其2nm技术的客户。

　　根据摩尔定律，自20世纪70年代初以来，集成电路上的晶体管数量大约每18个月翻一番。最终（从现在开始可能不会持续太久），摩尔定律将会终结，因为硬件将不可能进一步缩小。

　　抛弃FinFET，跨越GAAFET，直接采用MBCFET

　　目前的芯片从2011年的22nm工艺开始就使用 FinFET，即鳍式场效应晶体管，解决了晶体管变得更小所带来的问题。

　　直到工艺下降到 5nm前，FinFETs一直是很好的。当达到原子水平（3纳米是25个硅原子排成一行）时，FinFET 开始出现漏电现象，可能不再适用于更进一步的工艺水平。

　　在2nm工艺上，台积电将放弃多年的FinFET（鳍式场效应晶体管），甚至不使用三星规划在3nm工艺上使用的 GAAFET （环绕栅极场效应晶体管），也就是纳米线（nanowire），而是将其拓展成为 MBCFET（多桥通道场效应晶体管），也就是纳米片（nanosheet）。

　　GAAFET 是一个周围都是门的场效应管。根据不同的设计，全面栅极场效应管可以有两个或四个有效栅极。通过在栅极上施加电压，你可以控制源极和漏极之间的电流，将其从0切换到1，并创建一个处理器的二进制逻辑。

　　从GAAFET到MBCFET，从纳米线到纳米片，可以视为从二维到三维的跃进，能够大大改进电路控制，降低漏电率。

　　2nm 采用以环绕闸极（GAA）制程为基础的MBCFET架构，可以解决FinFET因制程微缩产生电流控制漏电的物理极限问题。

　　研发实力的背后，是金钱燃烧的声音

　　三星也在研发 GAAFET，打算在其 3nm 芯片中引入 GAAFET，以提高超过 7nm 工艺 35% 的性能，同时降低 50% 的能耗，并在这一研发过程中投资了5亿美元。

　　公开数据表明，2019年全球半导体公司研发支出有20家超过10亿美元，合计达到563亿美元，较2018年成长6%。其中2019年研发支出前十大半导体公司合计428亿美元，较2018年成长8%。

　　2019年，中国有3家半导体公司研发费用过超过10亿美元，分别是台积电（TSMC）、华为海思（Hisilicon）和联发科（MediaTek），而且全部进入前十。三家公司研发投入合计约75亿美元，较2018年增长21%。

　　美国有8家半导体公司研发费用过超过10亿美元，合计330亿美元，较2018年增长5%；有五家进入排名前十名，分别是：英特尔（Intel）、高通（Qualcomm）、博通（Broadcom）、英伟达（nVidia）、美光（Micron）。

　　韩国有2家半导体公司研发费用过超过10亿美元，分别是三星电子半导体事业部（Samsung Semiconductor）和 SK海力士（SK Hynix），而且全部进入前十。

　　台积公司持续投资研究与开发，19年全年研发总预算约占总营收的 8.5%，此一研发投资规模相当于或超越了许多其他高科技领导公司的规模。

　　台积电并没有公布为2nm新技术研发投入的经费数额，但是大家可以尽情发挥自己的想象了。
责任编辑：YYX