AI芯天下丨热点丨三星率先开启GAA晶体管时代,先进制程之战进入白热化
前言:
尽管跌跌撞撞,但三星依旧全力推进,终于抢在台积电之前,成功量产了3nm。
然而,虽然在3nm工艺上三星拔得头筹,但这并不代表三星在芯片代工市场上就能够一帆风顺。
作者 | 方文
图片来源 | 网 络
三星为GAA晶体管“站台发声”多时
2021年6月,三星就率先宣布其基于GAA技术的3nm制程成已成功流片。
随后在2021年10月三星宣布将在2022年上半年抢先台积电量产3nm GAA制程工艺。
今年4月,三星基于GAA晶体管的3nm工艺良率才到10%—20%,远低于预期,这意味着公司需要付出更高的成本。
今年5月,业界再次传出消息,三星3nm良率问题已解决,3nm GAA制程将如期量产。
6月,三星的3nm制程已经进入了试验性量产。
然而就在几天后,市场却又传出三星因良率远低于目标延迟3纳米芯片量产的消息。
近日,三星正式宣布,基于3nm全环绕栅极(Gate-All-AroundT,简称[GAA])制程工艺节点的芯片已经在其位于韩国的华城工厂启动大规模生产。
与5nm相比,三星电子初代3nm GAA工艺可较5nm降低多达45%的功耗,同时提升23%的性能和减少16%的面积占用。
展望未来,三星第二代3nm工艺更是可以将功耗降低多达50%,同时提升30%的性能和减少35%的面积占用。
GAA架构是“大胆而危险”的尝试
传统的平面晶体管(Planar FET)通过降低电压来节省功耗。
然而,平面晶体管的短沟道效应限制了电压的继续降低,而FinFET(鳍式场效应晶体管)的出现使得电压得以再次降低。
FinFET结构2011年便开始商业化,从22纳米就已经开始采用,至今已经经历了11年的发展。
虽然在芯片进入到5nm之后,采用FinFET结构的芯片开始出现漏电等问题,但是相比较于崭新的GAA结构,仍是相对稳定和成熟的技术。
但随着工艺的继续推进,FinFET已经不足以满足需求。
于是,GAA(Gate-all-around,环绕栅极)技术应运而生。
不过,三星认为采用纳米线沟道设计不仅复杂,且付出的成本可能也大于收益。
因此,三星设计了一种全新的GAA形式——MBCFET(Multi-Bridge-Channel FET,多桥-通道场效应管),采用多层堆叠的纳米片来替代GAAFET中的纳米线。
工艺不稳定等问题在每一代节点中都会面临,这需要时间和技术上的改进迭代。
GAA的工艺并不比FinFET简单,它的发展也需要一个改进的过程。
GAA虽然是在更小尺寸下更加被普遍看好的工艺结构,但在3nm技术节点中采用GAA架构,仍是一个值得商榷的问题。
所以高通等重要客户对三星的3nm制程工艺目前都保持观望态度,不敢随意进行尝试。
三星率先量产3nm的“成功学”
如果仅从0到1的角度来分析,三星是第一个量产3nm的厂商,相比较与台积电而言,固然是成功的。
根据三星官方公布的声明显示,基于其第一代的3nm GAA工艺的芯片与传统的5nm工艺芯片相比,功耗降低了45%,性能提高了23%,面积可减少16%。
不过,以上公布的数据与三星之前透露的数据(性能将提升30%,能耗降可低50%,逻辑面积效率提升超过45%)有一定程度的缩水。
3nm GAA技术采用了更宽通的纳米片,与采用窄通道纳米线的GAA技术相比能提供更高的性能和能耗比。
3nm GAA技术上,三星能够调整纳米晶体管的通道宽度,优化功耗和性能,从而能够满足客户的多元需求。
利用3nm GAA技术,三星将能够调整纳米片的通道宽度,以优化功耗和性能,以满足各种客户需求。
抢先登陆并不保证竞争优势
三星此次抢先一步量产3nm芯片,并不意味着三星在与台积电竞争中占据了先机。
虽然三星采用市场现有方案,可以做到3nm GAA技术量产,但关键是成本会增加、交期会拉长、良率提升速度慢、品质不见得好。
三星仍未实际接获3nm订单,宣传意义应大于实质意义。
实际上这场竞争也没有绝对的输赢之分,因为绝大部分晶圆代工厂商已经完全告别了先进制程的竞赛。
这使得诸多客户只能在台积电和三星之间进行[非此即彼]的选择,而台积电一家的产能,也难以维持庞大的先进制程市场。
因此,哪怕三星的芯片有再次陷入性能滑铁卢的风险,也依旧会有大批量的厂商愿意去试错。
结尾:
此前,三星电子7nm和5nm制程产品均出现良率和功耗问题,使高通等头部客户转投台积电。近几个月来,三星电子的良率情况曝光和代工业务高管人事调整不断。
但本次三星电子能够如期完成3nm制程的量产,或有助于恢复下游客户的信心。其基于GAA晶体管的3nm制程也正式开启了新的晶体管时代。
未来,台积电、三星、英特尔等先进制程玩家的竞争仍将继续,这场逼近物理极限的战争“硝烟”正浓。
部分资料参考:中国电子报:《三星3nm芯片抢先量产,台积电输了么?》,芯智讯:《三星3nm量产!真领先台积电,还是赶鸭子上架?》,电子工程世界:《揭秘三星3nm GAA 技术》
原文标题 : AI芯天下丨热点丨三星率先开启GAA晶体管时代,先进制程之战进入白热化
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