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FinFET與傳統的平面晶體管 MOSFET相比，顯著減少了短溝道效應，也成功帶領整個半導體行業跟著摩爾定律，從20nm走到了4nm、5nm的工藝節點上。然而隨著工藝進一步推進，FinFET硅鰭越來越薄的厚度已經在抑制短溝道效應上愈發吃力，況且為了在同樣的面積下實現更大的有效寬度，硅鰭的高度也在持續增加。

很明顯，在我們正式進入2nm和3nm時代后，只靠EUV光刻機是沒辦法帶領我們走進埃米級了，晶體管結構的創新迫在眉睫。無論是研究機構還是代工廠，也都紛紛達成共識，認為GAA這樣的全環繞晶體管架構才是未來，尤其是三星。

首發GAA的三星

從近幾年推出的高通手機SoC，比如驍龍888和8 Gen 1的風評來看，大部分人都將發熱的鍋丟給了三星，雖然這也有IP、設計的原因在，但代工廠的工藝水平肯定逃不開關系。對任何一家代工廠來說，這樣的用戶風評和客戶口碑都不利于運營，三星似乎打算以3nm+GAA一雪前恥，于是今年6月底，三星率先宣布正式開始3nm芯片的量產。

盡管首發已經板上釘釘，三星的3nm客戶依然是未知數，根據韓媒的爆料，三星3nm的首發客戶為中國礦機芯片廠商磐矽半導體公司，考慮到獲得量產的是3GAE這個早期工藝節點，礦機芯片廠商愿意嘗鮮也很合理，畢竟這類廠商在5nm工藝上也是先行者之一。

據傳高通也預定了三星的3nm產能，但高通可能已經記住了上次吃的虧，消息表示高通與三星簽訂了協議，前者可以隨時向三星要求3nm的產能支持。所以這次GAA技術的加入是否能真的將能效比提上去，我們還得看后續產品的驗證，尤其是可能在明年才會推出的下一代3nm節點3GAP。

GAA能拯救“火龍”嗎？

話雖如此，這并不影響我們對GAA技術做一個簡單的預期，畢竟三星對這一技術的宣傳可謂不遺余力，也是最早布局GAA技術的Foundry廠商。早在2019年，三星就宣布3nm GAA工藝的PDK 0.1版本已經放出，并將三星版本的GAA技術命名為MBCFET。三星當時做對比的工藝是7nm，稱芯片面積減少45%的同時，可將功耗降低50%或是將性能提升35%。

三星的納米片GAA技術MBCFET / 三星

以上畢竟是早期的參考數據，三年過去，現有的參數肯定已經有了一定的優化改善，拿出去宣傳也缺乏賣點。于是三星在今年換了一個參考對象，即5nm FinFET工藝。根據三星的說法，3nm+第一代GAA技術（3GAE）可以將功耗降低45%，或是將性能提高23%，芯片面積減少16%。而第二代GAA技術（3GAP）可以將功耗降低50%，或將性能提高30%，芯片面積減少35%。

從這些參數足以看出三星的意圖了，第一代GAA畢竟是新技術首秀，三星為了不翻車還是比較保守，所以先解決此前的高功耗問題才是最重要的。第二代GAA在晶體管密度上更加激進，這才是三星真正與臺積電硬碰硬的王牌，畢竟在三星與臺積電在同命名的工藝上進度差不多，實際晶體管密度還是遜色于臺積電的。不過三星其實并沒有挑明對比的5nm工藝選用了哪個節點，所以我們也沒法拿兩家的晶體管密度作個準確的對比。

除了以上這些提升以外，GAA與FinFET相比，也帶來了更高的設計靈活性。以FinFET為例，在同一工藝內提供了固定硅鰭數量的不同設計方案，比如英特爾的10nm HD庫為2P3N的硅鰭數量，HP庫為3P4N的硅鰭數量。而GAA除了堆疊納米片以外，還可以改變納米片的寬度來提供不同的性能/功耗選擇，比如寬度越大，性能也就越強，當然功耗也會越高，這樣即便是同一個節點，設計者也有更靈活的選擇。

與此同時，為了將GAA盡快投入市場，三星不想把其MBCFET打造成與成熟的FinFET工藝不兼容的新技術，所以從設計之初，三星就盡可能去做兼容設計。從其工藝兼容性的分布圖上來看，除了部分前段工序確實無法做到兼容以外，中段和后段工序都已經做到了完全兼容。正因為后段工序設計規則相同，如果你已經是三星4nm的工藝客戶，也已直接將該節點下的IP移植到3nm GAA工藝上。

GAA并非獨此一家

臺積電工藝路線圖 / 臺積電

大家也都知道，三星最大的競爭對手臺積電選擇了在3nm及之前的工藝維持目前的FinFET，直到2024 年的2nm才引入GAA工藝，而且同樣選擇與三星一樣的納米片結構。作為目前晶圓代工行業的龍頭，臺積電一向是選擇穩健地追求先進工藝，這才從客戶那收獲了不錯的口碑。

根據臺積電近期給出的數據，從N3E到N2，同等功耗下，性能提升只有10%到15%左右，這對于指望性能飆升的HPC客戶來說，肯定不是一個吸引人的數字。不過在同樣的性能下，N2的功耗比N3E低上25%到30%，這對于移動SoC客戶來說倒也不賴。這樣的參數側面說明了臺積電在GAA上求穩的態度，但考慮到臺積電每個工藝上都會有不同的密度節點，所以或許在下一代2nm節點上，我們能見到更大的性能提升。

RibbonFET技術示意圖 / 英特爾

至于英特爾定下的趕超計劃中，2024年上半年的Intel 20A工藝將用上自己的GAA版本，RibbonFET，雖然命名不同，但其原理基本一致，而且英特爾對此沒有透露過多的細節，看來這一技術也還在積極研發階段。

值得一提的是，索尼似乎也有開發和利用GAA技術的打算。2020年年末，索尼從英特爾那收購了35項技術專利，其中10項專利與GAA有關，3項專利與FinFET有關。作為一家半導體業務主要集中在圖像傳感器上的廠商，索尼是否打算借此打造新架構的圖像傳感器呢？

雖然其在圖像傳感器上占據霸主地位，但索尼從未展現過在先進晶體管技術上的野心，依筆者的見解，此處可能還是對新技術的早期布局，畢竟索尼的一大競爭對手三星也是圖像傳感器巨頭，如果GAA真的能給三星的ISOCELL系列帶來巨大的突破，三星肯定不會悶不作聲的，從目前三星在GAA上申請的專利和發表的論文來看，三星對GAA技術的期待目前還是停留在邏輯電路和存儲上。

寫在最后

從目前幾家廠商給出的參數來看，GAA并不是什么跨時代的突破性技術，只是半導體制造行業為了延續摩爾定律的一大對策而已。GAA或許能夠拯救三星在功耗發熱上的困境，但要想真的做到拉開差距，還是不太現實，倒是英特爾能借此真正趕上臺積電和三星，甚至有可能在未來實現超越。可大家萬萬不能忽略一點，晶圓制造同樣是一個風險產業，三星有了5nm上的災難，英特爾在7nm上出了差錯，現在又有臺積電3nm出現問題的傳聞，沒到真正投入量產的那一刻，任哪一家跌落神壇都不意外。

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