FinFET到了歷史的盡頭？

一切歷史都是當(dāng)代史。

如果說(shuō)在2019 年年中三星宣稱將在2021年推出其“環(huán)繞式柵極（GAA）”技術(shù)取代FinFET晶體管技術(shù)，F(xiàn)inFET猶可淡定；而到如今，英特爾表示其5nm制程將放棄FinFET而轉(zhuǎn)向GAA，就已有一個(gè)時(shí)代翻篇的跡象了。三大代工巨頭已有兩大廠商選擇了GAA，作為代工老大的臺(tái)積電路線雖“按兵不動(dòng)”，但似乎已無(wú)懸念，F(xiàn)inFET真的走到歷史的終結(jié)了嗎？

FinFET的榮光

畢竟當(dāng)FinFET以“拯救者”的形象登場(chǎng)時(shí)，它承載著摩爾定律持續(xù)向前攻伐的重要“使命”。

隨著制程工藝的升級(jí)，晶體管的制造愈加困難。1958年的第一個(gè)集成電路觸發(fā)器僅由兩個(gè)晶體管構(gòu)建而成，而如今芯片已包含超過(guò)10億個(gè)晶體管，這一動(dòng)力來(lái)自于摩爾定律指揮下的平面硅制造工藝的不斷進(jìn)階。

而當(dāng)柵極長(zhǎng)度逼近20nm大關(guān)時(shí)，對(duì)電流控制能力急劇下降，漏電率相應(yīng)提高，傳統(tǒng)的平面MOSFET結(jié)構(gòu)看似走到“盡頭”。業(yè)界大拿胡正明教授提出了兩種解決途徑：一種是立體型結(jié)構(gòu)的FinFET晶體管，另一種是基于SOI的超薄絕緣層上硅體技術(shù)FD-SOI晶體管技術(shù)。

FinFET和FD-SOI使摩爾定律得以延續(xù)傳奇，之后兩者卻走出了不同的發(fā)展道路。FinFET工藝先拔頭籌，英特爾最早于2011年推出了商業(yè)化的FinFET工藝技術(shù)，顯著提高了性能并降低了功耗，之后臺(tái)積電采用 FinFET技術(shù)亦取得了巨大的成功，隨后FinFET大放異彩，成為全球主流晶圓廠的“不二”選擇。

相較之下，F(xiàn)D-SOI工藝似乎一直活在FinFET的陰影中。盡管其工藝漏電率低，功耗亦有優(yōu)勢(shì)，制成的芯片在物聯(lián)網(wǎng)、汽車、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、消費(fèi)類等領(lǐng)域均有用武之地，加上三星、格芯、IBM、ST等巨頭的力推，在市場(chǎng)業(yè)已打開(kāi)了一片天地。但業(yè)內(nèi)資深人士指出，由于其襯底成本高，越往上走的尺寸越難以做小，最高水平最多走到12nm，后續(xù)難以為繼。

盡管FinFET在“二選一”的對(duì)壘中先聲奪人，但伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智能駕駛等應(yīng)用對(duì)IC提出了全新挑戰(zhàn)，尤其是FinFET的制造、研發(fā)成本越來(lái)越高，F(xiàn)inFET雖到7nm及5nm猶能高歌猛進(jìn)，但工藝歷史的流向似已然注定再次“轉(zhuǎn)向”。

為何是GAA？

隨著三星率先“垂范”，以及英特爾的跟進(jìn)，GAA已儼然成為接棒FinFET的新貴。

與FinFET的不同之處在于，GAA設(shè)計(jì)通道的四個(gè)面周圍有柵極，減少漏電壓并改善了對(duì)通道的控制，這是縮小工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)的基本步驟。通過(guò)使用更高效的晶體管設(shè)計(jì)，加上更小的節(jié)點(diǎn)，將能實(shí)現(xiàn)更好的能耗比。

資深人士對(duì)此也提及，工藝節(jié)點(diǎn)不斷前進(jìn)的動(dòng)能在于提升性能、降低功耗。而當(dāng)工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)階到3nm時(shí)，F(xiàn)inFET經(jīng)濟(jì)已不可行，將轉(zhuǎn)向GAA。

三星就樂(lè)觀認(rèn)為，GAA技術(shù)相比7nm制程能夠提升35%的性能、降低50%的功耗以及45%的芯片面積。據(jù)悉，搭載此項(xiàng)技術(shù)的首批3nm三星智能手機(jī)芯片將于2021年開(kāi)始批量生產(chǎn)，而對(duì)于性能要求更高的芯片如圖形處理器和數(shù)據(jù)中心的AI芯片將于2022年量產(chǎn)。

值得注意的是，GAA技術(shù)也有幾種不同的路線，未來(lái)的細(xì)節(jié)有待進(jìn)一步驗(yàn)證。而且，轉(zhuǎn)向GAA無(wú)疑涉及架構(gòu)的改變，業(yè)內(nèi)人士指出這對(duì)設(shè)備提出了不同的要求，據(jù)悉一些設(shè)備廠商已在開(kāi)發(fā)特殊的刻蝕、薄膜設(shè)備在應(yīng)對(duì)。

新華山論劍？

在FinFET市場(chǎng)，臺(tái)積電一支獨(dú)秀，三星、英特爾在奮力追趕。如今看來(lái)GAA已箭在弦上，問(wèn)題是膠著的“三國(guó)殺”又會(huì)呈現(xiàn)怎樣的此消彼長(zhǎng)？

從三星的語(yǔ)境來(lái)看，三星自認(rèn)押注的GAA技術(shù)領(lǐng)先對(duì)手一兩年，將在這一領(lǐng)域奠定和保持其先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

但英特爾亦是雄心勃勃，意在GAA上重奪領(lǐng)導(dǎo)地位。英特爾宣稱將在2021年推出7nm制程技術(shù)，并將在7nm制程的基礎(chǔ)上發(fā)展5nm。業(yè)內(nèi)估計(jì)最快2023年就能初見(jiàn)其5nm工藝“真容”。

盡管三星是GAA技術(shù)的領(lǐng)頭羊，但考慮到英特爾在工藝技術(shù)上的實(shí)力，其GAA工藝性能提升或更趨明顯，而英特爾也要自省不再走10nm工藝的“長(zhǎng)征”之路。

以往躊躇滿志的臺(tái)積電此次反而異常低調(diào)與謹(jǐn)慎，盡管臺(tái)積電宣稱2020年準(zhǔn)備量產(chǎn)的5nm制程依舊采用FinFET工藝，但預(yù)計(jì)其3nm工藝將于2023年甚至?xí)崆爸?022年量產(chǎn)，只是尚未公布預(yù)計(jì)的制程方式。根據(jù)臺(tái)積電官方的說(shuō)法，其3nm相關(guān)細(xì)節(jié)將在4月29日的北美技術(shù)論壇上公布。屆時(shí)，臺(tái)積電又會(huì)祭出怎樣的奇招呢？

GAA的戰(zhàn)役已然硝煙四起。