三星為GAA晶體管“站臺發(fā)聲”多時

2021年6月，三星就率先宣布其基于GAA技術(shù)的3nm制程成已成功流片。

隨后在2021年10月三星宣布將在2022年上半年搶先臺積電量產(chǎn)3nm GAA制程工藝。

今年4月，三星基于GAA晶體管的3nm工藝良率才到10％—20％，遠(yuǎn)低于預(yù)期，這意味著公司需要付出更高的成本。

今年5月，業(yè)界再次傳出消息，三星3nm良率問題已解決，3nm GAA制程將如期量產(chǎn)。

6月，三星的3nm制程已經(jīng)進(jìn)入了試驗(yàn)性量產(chǎn)。

然而就在幾天后，市場卻又傳出三星因良率遠(yuǎn)低于目標(biāo)延遲3納米芯片量產(chǎn)的消息。

近日，三星正式宣布，基于3nm全環(huán)繞柵極（Gate－All－AroundT，簡稱［GAA］）制程工藝節(jié)點(diǎn)的芯片已經(jīng)在其位于韓國的華城工廠啟動大規(guī)模生產(chǎn)。

與5nm相比，三星電子初代3nm GAA工藝可較5nm降低多達(dá)45％的功耗，同時提升23％的性能和減少16％的面積占用。

展望未來，三星第二代3nm工藝更是可以將功耗降低多達(dá)50％，同時提升30％的性能和減少35％的面積占用。

GAA架構(gòu)是“大膽而危險”的嘗試

傳統(tǒng)的平面晶體管（Planar FET）通過降低電壓來節(jié)省功耗。

然而，平面晶體管的短溝道效應(yīng)限制了電壓的繼續(xù)降低，而FinFET（鰭式場效應(yīng)晶體管）的出現(xiàn)使得電壓得以再次降低。

FinFET結(jié)構(gòu)2011年便開始商業(yè)化，從22納米就已經(jīng)開始采用，至今已經(jīng)經(jīng)歷了11年的發(fā)展。

雖然在芯片進(jìn)入到5nm之后，采用FinFET結(jié)構(gòu)的芯片開始出現(xiàn)漏電等問題，但是相比較于嶄新的GAA結(jié)構(gòu)，仍是相對穩(wěn)定和成熟的技術(shù)。

但隨著工藝的繼續(xù)推進(jìn)，F(xiàn)inFET已經(jīng)不足以滿足需求。

于是，GAA（Gate－all－around，環(huán)繞柵極）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

不過，三星認(rèn)為采用納米線溝道設(shè)計(jì)不僅復(fù)雜，且付出的成本可能也大于收益。

因此，三星設(shè)計(jì)了一種全新的GAA形式——MBCFET（Multi－Bridge－Channel FET，多橋－通道場效應(yīng)管），采用多層堆疊的納米片來替代GAAFET中的納米線。

工藝不穩(wěn)定等問題在每一代節(jié)點(diǎn)中都會面臨，這需要時間和技術(shù)上的改進(jìn)迭代。

GAA的工藝并不比FinFET簡單，它的發(fā)展也需要一個改進(jìn)的過程。

GAA雖然是在更小尺寸下更加被普遍看好的工藝結(jié)構(gòu)，但在3nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)中采用GAA架構(gòu)，仍是一個值得商榷的問題。

所以高通等重要客戶對三星的3nm制程工藝目前都保持觀望態(tài)度，不敢隨意進(jìn)行嘗試。

三星率先量產(chǎn)3nm的“成功學(xué)”

如果僅從0到1的角度來分析，三星是第一個量產(chǎn)3nm的廠商，相比較與臺積電而言，固然是成功的。

根據(jù)三星官方公布的聲明顯示，基于其第一代的3nm GAA工藝的芯片與傳統(tǒng)的5nm工藝芯片相比，功耗降低了45％，性能提高了23％，面積可減少16％。

不過，以上公布的數(shù)據(jù)與三星之前透露的數(shù)據(jù)（性能將提升30％，能耗降可低50％，邏輯面積效率提升超過45％）有一定程度的縮水。

3nm GAA技術(shù)采用了更寬通的納米片，與采用窄通道納米線的GAA技術(shù)相比能提供更高的性能和能耗比。

3nm GAA技術(shù)上，三星能夠調(diào)整納米晶體管的通道寬度，優(yōu)化功耗和性能，從而能夠滿足客戶的多元需求。

利用3nm   GAA技術(shù)，三星將能夠調(diào)整納米片的通道寬度，以優(yōu)化功耗和性能，以滿足各種客戶需求。

搶先登陸并不保證競爭優(yōu)勢

三星此次搶先一步量產(chǎn)3nm芯片，并不意味著三星在與臺積電競爭中占據(jù)了先機(jī)。

雖然三星采用市場現(xiàn)有方案，可以做到3nm GAA技術(shù)量產(chǎn)，但關(guān)鍵是成本會增加、交期會拉長、良率提升速度慢、品質(zhì)不見得好。

三星仍未實(shí)際接獲3nm訂單，宣傳意義應(yīng)大于實(shí)質(zhì)意義。

實(shí)際上這場競爭也沒有絕對的輸贏之分，因?yàn)榻^大部分晶圓代工廠商已經(jīng)完全告別了先進(jìn)制程的競賽。

這使得諸多客戶只能在臺積電和三星之間進(jìn)行［非此即彼］的選擇，而臺積電一家的產(chǎn)能，也難以維持龐大的先進(jìn)制程市場。

因此，哪怕三星的芯片有再次陷入性能滑鐵盧的風(fēng)險，也依舊會有大批量的廠商愿意去試錯。

結(jié)尾：

此前，三星電子7nm和5nm制程產(chǎn)品均出現(xiàn)良率和功耗問題，使高通等頭部客戶轉(zhuǎn)投臺積電。近幾個月來，三星電子的良率情況曝光和代工業(yè)務(wù)高管人事調(diào)整不斷。

但本次三星電子能夠如期完成3nm制程的量產(chǎn)，或有助于恢復(fù)下游客戶的信心。其基于GAA晶體管的3nm制程也正式開啟了新的晶體管時代。

未來，臺積電、三星、英特爾等先進(jìn)制程玩家的競爭仍將繼續(xù)，這場逼近物理極限的戰(zhàn)爭“硝煙”正濃。