三星3nm大批量生產(chǎn)：GAAFET晶體管時代到來

2022年6月30日，三星旗下的三星電子早上發(fā)布消息，該公司已經(jīng)開始3nm芯片的大批量生產(chǎn)。三星電子宣告，公司名為“3GAE”的3nm環(huán)繞式閘極制程技術(shù)進(jìn)展順利，并于今年的4月份推出該0.1版制程套件（PDK）。三星現(xiàn)在正在其3nm制程節(jié)點(diǎn)上導(dǎo)入GAA架構(gòu)，專門用來克服FinFET架構(gòu)的實(shí)體微縮和性能限制。

三星3nm工藝情況

3nm和5nm工藝相比，進(jìn)行優(yōu)化過后的3nm工藝的功耗可以降低45%，性能比直接提高了23%，表面積也已經(jīng)減小16%。3nm的的制程流片的技術(shù)操作的進(jìn)度是與新思科技一起合作的，加速GAA架構(gòu)的生產(chǎn)流程用來方便提供了高度優(yōu)化的參考放大，三星的制程流片工藝和臺積電或Intel的FinFET架構(gòu)完全不一樣，它應(yīng)用的是GAA 架構(gòu)，所以三星必須要區(qū)別與其他的新設(shè)計(jì)和認(rèn)證工具，正因?yàn)檫@樣所以其選擇采用新思科技的FusionDesignPlatform。制程流片的技術(shù)的PDK早就已經(jīng)在2019年的5 月份發(fā)布，直到在2020 年通過制程技術(shù)的認(rèn)證?，F(xiàn)今預(yù)計(jì)這個流程會讓三星3納米GAA 結(jié)構(gòu)的制程技術(shù)用于高性能運(yùn)算（HPC），例如像5G，高階人工智能（AI）應(yīng)用芯片生產(chǎn)等一樣。

三星晶圓廠的高層曾經(jīng)說過，基于納米線的傳統(tǒng)GAA（GAAFET），是由于其有效通道寬度過小，所以才會需要更多的堆疊。除此之外，三星的多橋通道FET（MBCFET）技術(shù)采用納米片架構(gòu)用來增加強(qiáng)化閘極的控制，并且這又使得每個堆疊可以獲得更大的電流。

GAA架構(gòu)是周邊環(huán)繞著Gate的FinFET 架構(gòu)。按照一些專家的觀點(diǎn)來看，GAA架構(gòu)的晶體管擁有比FinFET更好的靜電特性，以及也更加可以滿足于某些柵極寬度的需求。這些主要表現(xiàn)在尺寸一致的結(jié)構(gòu)下，GAA對于溝道的掌控能力可以更加漂亮。他的尺寸同時可以進(jìn)一步微縮的可能性非常大。相比于傳統(tǒng)FinFET 溝道僅僅只有三面被柵極包圍，GAA有著更好的控制溝道的能力。

這種新型的納米片設(shè)計(jì)已被研究機(jī)構(gòu)IMEC當(dāng)作FinFET架構(gòu)后續(xù)的產(chǎn)品來進(jìn)行大量研究觀察，還要由IBM與三星和格羅方德一起來合作發(fā)展。三星指出，這項(xiàng)技術(shù)是擁有很多的高度可制造性，因此只需要利用約90%FinFET 制造技術(shù)與設(shè)備，要修改少量的光罩。除此之外，出色的柵極可控性比三星原本的FinFET技術(shù)的可控性要高31%，而且納米片通道的寬度可以直接改變圖像化，讓設(shè)計(jì)變得更有靈活性。

臺積電（TSMC）、英特爾Intel、中芯國際近期工藝情況

英特爾，今年的計(jì)劃是量產(chǎn)7nm，不過英特爾的7nm工藝叫做intel 4，從晶體管密度來看，大約與臺積電的5nm和三星3nm的水平相當(dāng)。也就是說明，臺積電、三星、英特爾都在向先進(jìn)工藝沖擊。

三星的勁敵-臺積電也表示過今年會生產(chǎn)3nm，然后在2023年會大規(guī)模生產(chǎn)，也就是說今年肯定會進(jìn)入3nm。值得遺憾的是，臺積電的3nm制程節(jié)點(diǎn)采用的是FinFET晶體管結(jié)構(gòu)，這意味著半導(dǎo)體公司將不需要采用新的EDA工具以及開發(fā)新IP。

在此之前臺積電在5nm和4nm一代之中一直站著主導(dǎo)地位，臺積電的業(yè)務(wù)開發(fā)副總張曉強(qiáng)之前有在技術(shù)論壇上發(fā)表透露，臺積電那邊認(rèn)為繼續(xù)采用FinFET的架構(gòu)來開發(fā)3納米制程流片，是最能幫助客戶取得成功的方案。臺積電方的預(yù)期，3納米功效相較5納米提升10%至15%，功耗可以減少25%至30%，邏輯密度增加了1.7倍，SRAM密度提升了1.2倍，類比密度則提升1.1倍等。目標(biāo)3納米量產(chǎn)初期，客戶產(chǎn)品量能達(dá)到5納米的兩倍以上，大量運(yùn)用于智慧機(jī)與高速運(yùn)算（HPC）平臺。

對臺積電而言，GAAFET依舊是未來發(fā)展路線。不僅僅只是N3的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，更甚至有N2 節(jié)點(diǎn)使用的GAA 架構(gòu)。現(xiàn)如今正在進(jìn)行的先進(jìn)材料與晶體管結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)研究模式，還有CMOS研究，臺積電3納米技術(shù)和2納米技術(shù)的CMOS節(jié)點(diǎn)順利進(jìn)行研發(fā)中。臺積電還在加強(qiáng)先導(dǎo)性的研發(fā)工作，把重點(diǎn)放在2納米以外的節(jié)點(diǎn)，包括以及3D 晶體管，新存儲器，low-R interconnect 等領(lǐng)域，并為許多技術(shù)平臺奠定了生產(chǎn)的基礎(chǔ)。臺積電還正在擴(kuò)大Fab 12的技術(shù)研發(fā)能力，目前Fab 12正在研究開發(fā)N3，N2乃至更高階的制程節(jié)點(diǎn)。

臺積電選擇在之前的3nm工藝?yán)^續(xù)使用FinFET技術(shù)，做出這樣的決定是出于很多方面的考慮。首先是在相同的制程技術(shù)與制造流程下，無需使用變動太多的生產(chǎn)工具，就可以實(shí)現(xiàn)從FinFET快速切換到GAA，具有極其不錯的成本優(yōu)勢。特別是在先進(jìn)工藝晶圓的設(shè)計(jì)成本中，過高的花費(fèi)會讓客戶非常謹(jǐn)慎的選擇制造工藝。根據(jù)早前曝光的設(shè)計(jì)奮勇來看，5nm的晶圓開發(fā)費(fèi)用高達(dá)4.76億美元，3nm甚至2nm會更高。

相較于其他廠商的先進(jìn)技術(shù)，中芯國際卻選擇28nm工藝，從2020年底開始，就先后在北京、深圳、上海3地?cái)U(kuò)產(chǎn)28nm工藝及以上的制程流片，并且給它們的投資超過了1200億元。首先這是對于中芯國際而言，目前中芯國際的制程流片工藝進(jìn)步到了14nm后，就難以再向前面的先進(jìn)技術(shù)發(fā)展了。原因是目前國外對于中芯對10nm及以下工藝設(shè)備的進(jìn)口進(jìn)行了管控，導(dǎo)致無法出口。并且現(xiàn)在的國產(chǎn)設(shè)備基本上都在28nm甚至更成熟的制程上，短時間內(nèi)也達(dá)不到10nm甚至更先進(jìn)。

其次，當(dāng)前全球最緊缺的就是成熟穩(wěn)定的工藝，其實(shí)從2020年底開始的全球缺少成熟穩(wěn)定的好芯片，最主要就是汽車芯片開始，嚴(yán)重缺少，尤其是在28nm及更成熟的工藝上表現(xiàn)更為緊需。所以中芯國際擴(kuò)大規(guī)模生產(chǎn)28nm及以上的成熟工藝，也是為了解決目前的對于芯片緊缺的需求，更何況現(xiàn)在的中芯國際基本上大部分的經(jīng)營收入的來源，就是28nm以上的成熟工藝，而其他芯片所貢獻(xiàn)的營收只占了其中的一小部分，所以對于中芯國際來說，28nm并不落后，還是相當(dāng)先進(jìn)的工藝，并且也十分成熟。

三星GAA與FinFET對比

GAAFET晶體管時代雖然即將到來，但FinFET仍舊會是主流。三星在2021年年初的IEEE國際固態(tài)電路的大會上，展示了制造3nm的技術(shù)中的一些小細(xì)節(jié)，這其中有像全柵場效應(yīng)晶體管(GAAFET)結(jié)構(gòu)等，最先開啟了在先進(jìn)工藝上的技術(shù)架構(gòu)上的轉(zhuǎn)型。知名專做能源與電力的媒體eenews報(bào)道宣稱，三星工廠已經(jīng)流片采用環(huán)繞柵極 (GAA) 晶體管架構(gòu)的3nm芯片，并且通過了納米片(Nanosheet)來制造出MBCFET(多橋通道場效應(yīng)管)，這個可以明顯增強(qiáng)晶體管的性能，完全取代FinFET晶體管大部分的技術(shù)。

根據(jù)三星官方的數(shù)據(jù)，和7nm FinFET制造工藝相比3nmGAA技術(shù)的邏輯層面的功能效率完全提高到了35%以上，功能損耗降低了50%，邏輯層面面積可以減少45%。三星的執(zhí)行副總裁兼代工銷售以及同時也擔(dān)任營銷主管Charlie Bae宣告，基于GAA結(jié)構(gòu)的下一代工藝節(jié)點(diǎn)(3nm)將會使三星可以領(lǐng)頭打開一個全新的智能互聯(lián)世界，同時加強(qiáng)技術(shù)領(lǐng)先地位。

GGA的中文名字叫做全環(huán)柵晶體管，它可以一直延續(xù)半導(dǎo)體技術(shù)的經(jīng)典“摩爾定律”新興的技術(shù)線路，來進(jìn)一步加強(qiáng)對柵極的控制能力，盡量克服當(dāng)前技術(shù)中的物理縮放比例以及性能限制。

在先進(jìn)制程的開發(fā)里進(jìn)行變更設(shè)計(jì)，無論是更改使用的設(shè)計(jì)工具還是進(jìn)行驗(yàn)證以及測試的流程，都將會是使用很多的時間和經(jīng)濟(jì)成本，需要幫助客戶盡可能的降低生產(chǎn)的成本，維護(hù)客戶的利益。臺積電級別里最高的首席科學(xué)家-黃漢森曾經(jīng)說過，F(xiàn)inFET工藝的流程完全是從客戶的角度出發(fā)的，可以給客戶提供很大的便利，成熟的FinFET結(jié)構(gòu)產(chǎn)品性能一定是非常穩(wěn)定。

三星的晶圓廠計(jì)劃于2022年上半年開始量產(chǎn)其首批3nm芯片設(shè)計(jì)，并從2023年開始批量生產(chǎn)下一代的3nm芯片。 三星技術(shù)計(jì)劃的下一步是使用MBCFET架構(gòu)的2nm來作為制程節(jié)點(diǎn); 該技術(shù)目前處于開發(fā)的早期階段，目標(biāo)是在2025年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

然而，三星高層指出，MBCFET架構(gòu)兼容于FinFET制程，這意味著工程師可以為這兩種技術(shù)采用相同的制造技術(shù)和設(shè)備。 而這也將有助于加速制程發(fā)展以及提升產(chǎn)能。

全球晶圓龍頭臺積電則預(yù)計(jì)將從2nm處理器節(jié)點(diǎn)中開始采用GAA FET技術(shù)。 因此，三星在市占率的方面依舊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如于臺積電，盡管較臺灣晶圓代工大廠領(lǐng)先一代導(dǎo)入GAA技術(shù)，但同時也承擔(dān)了巨大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

三星已經(jīng)與合作伙伴共同開發(fā)原始設(shè)計(jì)工具，并在其2021年第五屆年度三星晶圓代工論壇中發(fā)布轉(zhuǎn)向基于GAA的3nm制程技術(shù)過渡的計(jì)劃。 這家韓國龍頭一向以注重于先進(jìn)制程技術(shù)并挑戰(zhàn)常規(guī)商業(yè)智慧而出名。 如今，非常期待看見三星的GAA技術(shù)賭注如何在與全球芯片代工龍頭的大型晶圓廠中的業(yè)務(wù)競爭中取得成果。