三星發布GAA晶體管：3nm甚至1nm未來可期

英特爾在本月的投資者透露，公司解釋了之所以一再推遲10nm晶元上市的原因，同時宣稱將在2021年發布採用7nm工藝的Xe顯卡。

三星動作迅速，在近日的SFF(Samsung Foundry Forum)美國分會上表示：公司計劃在2021年推出一款突破性的產品，這款產品基於三星3nm GAA(gate all around)工藝製造，性能提高35%，並將功耗降低50%、晶元面積縮小45%。

三星在3nm工藝上使用了最新一代的GAA技術，能夠對晶元核心的晶體管進行重新設計，使晶元更小更快。因為早期的晶元電路中，電流一直由通道頂部的「閘門」來控制，但GAA利用特定的材料，將整個電流通道包裹成類似3D結構，這種設計比「閘門」更加複雜。一些人設想GAA晶體管通道是一種叫做納米線的小圓柱體，但是三星的設計使用了一種叫做納米片的平坦通道。

三星在本次的SFF上表示，第一批3nm晶元主要面向智能手機及其他移動設備，三星計劃在2020年進行測試，2021年開始倒入量產。至於對性能要求更高圖形處理器、數據中心的AI晶元等產品，則需要等到2022年。三星代工業務營銷副總裁Ryan Lee在本次大會上表示：GAA的出現標誌著三星代工業務進入一個全新的時代，這也是三星與英特爾和台積電競爭過程中的關鍵一步。

國際商業戰略諮詢公司的CEO Handel Jones表示：三星的GAA項目研究初見成效，它在GAA方面領先對手台積電約12個月，英特爾的落後幅度更可能達到兩至三年。三星在GAA項目的突破，可能會超出摩爾定律的預期，進一步手機、智能手錶、家居設備和汽車變得更智能。

三星代工業務營銷副總裁Ryan Lee還對三星晶元的未來作了預測：GAA技術的發展可能會讓2nm甚至1nm工藝成為可能，雖然三星還不確定是否會採用什麼樣的結構，但依然相信會有這樣的技術出現。實際上，晶元製造商幾十年來一直在擔心晶元小型化過程中遇到的障礙，至於2nm甚至是1nm這種接近物理極限的工藝，確實變得難以捉摸。

除了DRAM內存和NAND Flash快閃記憶體晶元之外，三星近些年一直在製造高性能邏輯處理器。三星電子已經將旗下的代工部門拆分為單獨的業務，高通代工了部分驍龍800系列、700系列處理器，最近有消息稱三星半導體還將與AMD合作，為其代工高性能GPU，未來甚至有可能為其製造x86架構CPU。

在半導體微縮的過程中，其晶圓的設計成本也水漲船高。據傳14nm晶圓的設計費用超過1億美元，3nm的價格超過10億美元也並非不可能。高昂的晶圓設計成本，會讓中小企業望而卻步。不過三星相關負責人對3nm的前景依然感到樂觀，他表示成本正在逐步下降。

在處理器製造的輝煌時期，每更新一代技術將帶來面積更小、性能更強、功耗更低，同時成本也更少的產品，但現在的產品都需要平衡性能、功耗、成本等多個方面。

最早的半導體製程工藝代表了晶體管尺寸，不過近些年來，這種默認的行規被打破，製程工藝變成了三星、台積電的數字遊戲。不過三星的7nm工藝和英特爾的10nm非常接近，三星如果能夠在2021年推出3nm工藝的話，對於英特爾來說可不是什麼好消息，畢竟2021年的7nm能否順利量產，現在依然是一個未知數。

目前，英特爾和台積電尚未為此事置評。

除了3nm工藝，三星還準備各種工藝來滿足不同用戶的需求，覆蓋到10nm往下節點的各個數字上。除了採用GAA工藝的3nm產品外，未來可能還有2nm甚至1nm工藝，挑戰半導體的物理學極限。但三星如此多的工藝容易讓人眼花繚亂。

為了解決這問題，Cacdence公司官方博客專欄作家保羅麥克萊倫日前撰文，分析三星的製程工藝，用一張簡潔而且清晰的圖標匯總了三星目前的製程工藝，如下所示：三星目前擁有四大工藝節點，分別是14nm、10nm、7nm及3nm，並針對每代節點的衍生版進行重新命名，其中14nm節點有14nm LPE、14nm LPP、14nm LPC、14nm LPU及11nm LPP版本;10nm節點有10nm LPE、10nm LPP、8nm LPP、8nm LPU及尚在開發中的版本;7nm節點中，三星直接放棄LPE低功耗版，直接進入7nm LPP和7nm EUV(EUV光刻工藝輔助)、6nm LPP、5nm LPE、4nm LPE等衍生版;三星在3nm節點開始放棄FinFET工藝，轉向GAA晶體管，第一代3GAE、3GAP工藝兩種，後續還在繼續優化改良中。

三星各個工藝的時間點也不盡相同，7nm EUV工藝在2019年4月份開始量產，下半年開始推6nm工藝;5nm工藝將在2019年4月份完成開發，下半年首次流片，計劃於2020年量產。4nm工藝2019年下半年完成開發，而3nm GAE工藝已經發布了1.0版PDK，預期是2021年量產。

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