2020 年 9 月 16 日，蘋果在秋季第一場新品發(fā)布會上推出了 A14 仿生芯片，在 5nm 工藝節(jié)點上成功搶得先機。
接下來，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 系列手機一起推出，采用的自然也是 5nm 工藝。
而 12 月 1 日 - 2 日，高通會在 2020 年驍龍技術峰會上發(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。
這些芯片排隊發(fā)布，意味著半導體工藝 5nm 的時代正在全面到來。
其實，當看到 5nm 的蘋果 A14 芯片發(fā)布時，小編心里突然涌上一陣感慨，半導體的制程工藝，從 10nm 到 7nm 再到現(xiàn)在的 5nm，進化的幅度越來越小，但每進一步，都是整個行業(yè)付出巨大研發(fā)成本的結果。
相信大家平時刷新聞時已經(jīng)有所了解，芯片的制程工藝越來越小，等于晶體管越做越小，當工藝越來越接近極限時，難度就會呈指數(shù)級上升。
仿佛一個學生，將考分從 60 分提升到 80 分也許不難，但將分數(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)點長達 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，臺積電和三星在制程技術上突飛猛進，從 10nm 到 7nm 再到今年的 5nm，一路順利推進，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，但他們對推進半導體制程技術進化、延續(xù)摩爾定律所做的貢獻有目共睹。
這些年來，芯片制程工藝能夠不斷微縮，性能可以不斷增強，都有賴于整個半導體行業(yè)以及學術領域的勇敢創(chuàng)新和不懈努力。
而當節(jié)點進一步微縮，5nm 之后的 3nm、2nm、1nm，新的問題又會出現(xiàn)，甚至原來拯救摩爾定律的 3D FinFET 晶體管都將無法應對極限微觀世界的要求。
接下來，我們會越來越頻繁地聽到一個新名詞——GAA（環(huán)繞式柵極技術晶體管）。
什么是 GAA 環(huán)繞式柵極技術晶體管？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，其實 GAA 環(huán)繞式柵極技術晶體管和 3D FinFET 有著千絲萬縷的聯(lián)系，因此我們需要從 3D FinFET 晶體管說起。
在《臺積電 5 納米吊打英特爾 10 納米？別糾結了，這只是 “數(shù)字游戲”》一文中，其實IT之家已經(jīng)為大家介紹過 3D FinFET 晶體管，這里再簡單回顧一下。
其實所謂晶體管，用通俗易懂的話來講，就是用半導體材料制作的電流開關結構。左邊一個源極（半導體），右邊一個漏極（半導體），中間加個柵極（金屬），讓柵極來控制電流從源極到漏極的通斷。
在過去，柵極和源極、漏極之間接觸的地方是一個平面，形狀差不多是一個矩形，柵極正是依靠這個接觸面來對源極和漏極的電流進行控制。
可是，晶體管越做越小，這個接觸面的寬度（其實就是柵極的寬度）也越來越窄，當窄到一定程度時（大概是 20nm 左右），柵極對電流的控制力就會大幅減弱。
控制力減弱，就會導致源極的電流穿透柵極，直接和漏極導通，這種情況叫漏電。很顯然，漏電不是個好事情，它會導致芯片發(fā)熱量急劇上升。
所以半導體工藝進化之路在 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。這個接觸面的寬度不能增加，那就只能增加長度了。
1999 年華人教授胡正明帶領加州大學伯克利分校的研究團隊發(fā)明了 FinFET 晶體管技術和 UTB-SOI 技術，解決了上面說的問題。
其中，F(xiàn)inFET 晶體管技術是我們聽過最多的。它的解決思路就是改造晶體管的結構，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，通過巧妙地增加長度，來大大增加接觸面積，從提升對電流的控制。
換句話說，原來只有一個接觸面，現(xiàn)在有三個了，哪怕柵極寬度在進一步縮小，也不怕。
由于這種鰭片結構是立體的形態(tài)，所以也叫做 3D FinFET。
3D FinFET 技術的出現(xiàn)解決了晶體管工藝縮小引發(fā)的漏電的問題，讓半導體的制程可以進一步推進。
隨后，經(jīng)過十多年的產(chǎn)業(yè)化推進，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 技術也伴隨著半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，一路走到今天的 7nm、5nm 時代。
但是，隨著芯片制程的進一步微縮，到了 5nm 之后的 3nm、2nm 等等，3D FinFET 也將迎來它的極限，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，假如原來一個 FinFET 晶體管上可以放三個鰭片，現(xiàn)在只能放一個，所以就得把鰭片增高?？墒泅捚絹碓礁?，到一定高度后，很難在內部應力作用下保持直立，F(xiàn)inFET 結構就很難形成了。
總之就是，5nm 之后，3D FinFET 也不能用了。
這時候，就輪到 GAA 環(huán)繞式柵極技術晶體管技術登場了。
GAA 全稱 Gate-All-Around ，是一種環(huán)繞式柵極技術晶體管，也叫做 GAAFET。它的概念的提出也很早，比利時 IMEC Cor Claeys 博士及其研究團隊于 1990 年發(fā)表文章中提出。
其實 GAAFET 相當于 3D FinFET 的改良版，這項技術下的晶體管結構又變了，柵極和漏極不再是鰭片的樣子，而是變成了一根根 “小棍子”，垂直穿過柵極，這樣，柵極就能實現(xiàn)對源極、漏極的四面包裹。
看起來，好像原來源極漏極半導體是鰭片，而現(xiàn)在柵極變成了鰭片。所以 GAAFET 和 3D FinFET 在實現(xiàn)原理和思路上有很多相似的地方。
不管怎么說，從三接觸面到四接觸面，并且還被拆分成好幾個四接觸面，顯然，這次柵極對電流的控制力又進一步提高了。
此外，GAA 的這種設計也可以解決原來鰭片間距縮小的問題，并且在很大程度上解決柵極間距縮小后帶來問題，例如電容效應等。
總之，在 GAAFET 技術的巧妙幫助下，半導體制程工藝的進化之路還將進一步往前走，并將成為 5nm 之后大家經(jīng)常聽到的關鍵詞。
2、三星、英特爾和臺積電，同樣的態(tài)度，不同的進展
GAAFET 技術如此重要，顯然目前芯片代工的三巨頭英特爾、三星和臺積電都在積極備戰(zhàn)，準備在 5nm 之后的節(jié)點上大干一場。
首先要說明的是，前面我們講到源極到漏極的 “小棍子”，只是舉例，實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，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體設計成水平的板塊狀，通常會堆疊多個穿透柵極；六角形截面；納米環(huán)技術，就是穿透柵極的半導體為環(huán)形截面。在三巨頭中，目前最積極高調的是三星，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 上詳細技術方案的企業(yè)。
三星還給自家 GAA 技術取了個獨特的名字：Multi-Bridge Channel，簡稱 MBCFET。
三星表示，他們會在 3nm 這一節(jié)點上使用 MBCFET 技術。MBCFET 相比納米線技術擁有更大的柵極接觸面積，從而在性能、功耗控制上會更加出色。
就板片狀的技術方案來說，三星透露其目前設計每個晶體管上堆疊 3 條板片，板片厚度為 5nm，板片之間的距離為 10nm，同時柵極長度為 12nm 等。
在具體表現(xiàn)方面，三星還稱第一代的 3nm MBCFET 相比 7nm FinFET 會有 35% 的性能提升，功耗會降低 50%，芯片面積則會縮減 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 就可以開始風險試產(chǎn)，2021 年有望大規(guī)模量產(chǎn)，同時 2021 年他們還會推出第一代 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方案，不同方案在性能、功率方面的表現(xiàn)也不同，未來可以根據(jù)芯片應用場景的差異來匹配對應的方案。
相比三星的激進，臺積電這邊就相對保守了，目前他們已經(jīng)表示，3nm 節(jié)點上將會繼續(xù)打磨 FinFET 技術，而不是急于上馬 GAAFET。
主要原因是臺積電切入 GAA 技術的時間相對晚于三星，同時也為產(chǎn)業(yè)鏈平穩(wěn)過渡考慮。
至于什么時候會使用 GAA 技術，官方還沒有明確公布。但根據(jù)外界的消息，臺積電會在 2nm 節(jié)點上采用 GAA 技術。
臺積電已表示，2nm 研發(fā)生產(chǎn)將落腳新竹寶山，將規(guī)劃建設 4 個超大型晶圓廠，投入 8000 名工程師，目前已經(jīng)交付研發(fā)，根據(jù)規(guī)劃，2nm 工藝預計會在 2023 年開始風險試產(chǎn)，2024 年量產(chǎn)。
至于英特爾，按照他們的進度，2021 年會推出 7nm 工藝，采用的仍然是目前的 SuperFinFET，而到 2023 年，他們會在 5nm 這個節(jié)點上放棄 FinFET 晶體管，轉向 GAA 環(huán)繞柵極晶體管。這個消息來自產(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 工藝重新奪回領導地位，由此來看，他們在 2023 年的 5nm 節(jié)點上推出 GAA 工藝是大概率會發(fā)生的。
3、半導體行業(yè)還沒有到極限
就像 FinFET 工藝拯救了芯片產(chǎn)業(yè)，在 5nm 之后的時代，GAAFET 也將成為帶領半導體行業(yè)進一步發(fā)展的關鍵。當然，在這背后，每前進一步，都是行業(yè)付出巨大努力的結果。
就以 GAA 技術來說，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 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 GAAFET 的工藝制造難度也是極高的，具體的細節(jié)這里就不說了，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雜，也只有對 FinFET 技術爐火純青的半導體巨頭才能應對這樣的技術挑戰(zhàn)。
此外，和 GAA 技術配套的 EUV 極紫外光刻技術也需要進一步成熟，解決光刻功率不夠以及光子噪音等問題。
但好消息時，因為 GAA 相當于傳統(tǒng) FinFET 的 “改良版”，因此生產(chǎn)制造的很多技術細節(jié)和步驟是可以共用的，這意味著像三星、臺積電和英特爾這些對 FinFET 技術非常熟悉的巨頭，在 GAA 技術過渡時可能會比過去更加順暢，產(chǎn)業(yè)化的時間也可能會更短。
最后，IT之家想說的是，GAA 技術的推進，的確在很大程度上推進半導體工藝特別是先進制程上的發(fā)展。但隨著制程技術越來越接近物理極限，想要把芯片繼續(xù)做薄做小，先進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。
前面我們說到的胡正明教授曾經(jīng)說過：
FinFE 證實了這個產(chǎn)業(yè)還有很多可以用我們的智慧來解決的問題，我還真是看不到半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)的極限。
這句話放在 GAA 上也適用，或者說，只要這個世界仍然對運算有需求，半導體行業(yè)的人們就會想出智慧的解決方案來拓寬行業(yè)的天花板，用他們的技術讓這個世界更加美好。