三星为追台积电改Roadmap：跳过4nm，直接上3nm

在半导体代工领域，两大巨头台积电和三星电子目前都已进入5nm工艺：台积电5nm已大规模量产，4nm的N4工艺有望在2023年完成；而三星投资81亿美元的新5nm产线于今年开始建设，最快明年投产。

3nm方面台积电在多年前就已开始谋划，2020年为其产线获得了200亿美元的投资，并计划2021年风险试产，2022年上半年大规模量产。在6月初，甚至有外媒称台积电已经开始安装3nm工艺的生产线，早于此前的预期。

看起来，无论三星如何追赶，进度都比台积电差了那么1年左右，但7月2日，三星决定在工艺上大跃进。

据新浪科技报道，因与其竞争对手台积电在工艺路线上的计划不同，三星电子将跳过4nm工艺，直接由5nm跃升至3nm环绕栅极晶体管(GAAFET)。不过，报道中并未提及3nm工艺会在何时大规模量产。

计划赶不上变化

曾为苹果代工A系列芯片的三星电子，近几年在芯片工艺方面虽然不及台积电，获得的芯片代工订单也不及台积电，但仍是唯一能在工艺上跟上台积电节奏的厂商。台积电在芯片工艺方面近几年一直走在行业前列，7nm和5nm工艺都是率先投产，良品率也相当可观。

三星的 4nm 原定于 2021 年量产，可其真实身份无非 5nm 改良。对于三星取消的原因，一方面是 3nm 推进顺利，另一方面则是市场竞争需要，如果能抢在台积电之前搞定技术难度更高的 3nm GAAFET，无疑将为自己争得可观的机会。

三星如今的掌门人李在镕非常看重芯片代工业务，这一切或也得到了他的授意。此前，三星曾透露，3nm 芯片相较于 7nm FinFET，可以减少 50% 的能耗，增加 30% 的性能。

三星代工业务高级副总裁肖恩·汉日前曾对外表示，该公司5nm芯片的大规模生产预计将于2020年第二季度开始。

据三星电子此前发布的2020年一季度财报显示，该公司一季度营收为55万亿韩元，折合人民币约为3236.2亿元，同比增长5%；营业利润为6.4万亿韩元，折合人民币约为376.6亿元，同比增长2.7%。

有分析人士预测表示，三星电子二季度芯片营业利润或将超过5万亿韩元，折合人民币约为294.2亿元。

三星为什么要用 GAA？

Gate-All-Around ，也就是环绕式栅极技术，简称为 GAA 横向晶体管技术，也可以被称为 GAAFET。这项技术的特点是实现了栅极对沟道的四面包裹，源极和漏极不再和基底接触，而是利用线状（可以理解为棍状）或者平板状、片状等多个源极和漏极横向垂直于栅极分布后，实现 MOSFET 的基本结构和功能。这样设计在很大程度上解决了栅极间距尺寸减小后带来的各种问题，包括电容效应等，再加上沟道被栅极四面包裹，因此沟道电流也比 FinFET 的三面包裹更为顺畅。在应用了 GAA 技术后，业内估计基本上可以解决 3nm 乃至以下尺寸的半导体制造问题。

作为一款新技术，各家厂商都有自己的方案。目前已知的几种不同形态的 GAA 鳍片结构分别包括：

● 比较常见的纳米线技术，也就是穿透栅极的鳍片采用圆柱或者方形截面；

● 板片状结构多路桥接鳍片，穿透栅极的鳍片被设计成水平板状或者水平椭圆柱状（长轴和基地平行）截面；

● 六角形截面纳米线技术，顾名思义，纳米线的截面是六边形；

● 纳米环技术，穿透栅极的鳍片采用环形方案。

而三星对外宣称的 GAA 技术英文名为 Multi-Bridge ChannelFET，缩写为 MBCFET，实际上就是板片状结构多路桥接鳍片。三星对此作出的解释是，目前主流的纳米线 GAA 技术，沟道宽度较小，因此往往只能用于低功率设计，并且制造难度比较高，因此三星没有采用这种方案。并且三星认为 FinFET 在 5nm 和 4nm 工艺节点上都依旧有效，因此在 3nm 时代三星才开始使用新的 MBCFET 技术。

三星指出，预计 2021 年透过这项技术所推出的 3 nm工艺技术，将能使得三星在先进工艺方面与台积电及英特尔进行抗衡，甚至超越。而且，能够解决芯片制造缩小过程中所带来的工程难题，以延续摩尔定律的持续发展。

国际商业战略咨询公司（International Business Strategies）首席执行官 Handel Jones 表示，目前三星正透过强大的材料研究让晶圆制造技术获得发展。而在 GAA 的技术发展，三星大约领先台积电一年，英特尔封面则落后三星 2~3 年。三星也强调，GAA 技术的发展能够期待未来有更好的图形技术，人工智能及其他计算的进步，以确保未来包括智能手机、手表、汽车、以及智能家庭产品都能够有更好的效能。

而从三星的介绍来看，GAA 技术有可能根据鳍片尺寸和形态的不同，面向不同的客户。三星指出，垂直于栅极的纳米线或者纳米片的形态将是影响最终产品功率和性能特征的关键指标，纳米片和纳米线的宽度越宽，那么沟道尺寸和面积就越大，相应的性能越好，功率表现就越出色。三星在其 PDK 设计中提供了四种不同的方案，可以在一个芯片中不同地区使用，也可以直接使用于制造整个芯片。

台积电与三星的下一个战场：1.5纳米

2019 年，摩根大通的报告表示，半导体设备厂阿斯麦尔（ASML）确认 1.5nm 工艺的发展性，支撑摩尔定律延续至 2030 年。重量级分析师一致预期，台积电与三星新一轮军备竞赛将开打，并以工艺领先的台积电胜算较大。

此外，ASML将在 3nm 与更先进工艺采用高数值孔径（NA）光学系统；过去ASML为发展 NA 系统，收购德国卡尔蔡司子公司蔡司半导体。如今外资圈消息进一步证实，ASML将拓展 3nm 以下技术。

异康集团暨青兴资本首席顾问杨应超解读，ASML技术进展是半导体业一大突破，有利整个大产业。而在 7nm 已开打军备竞赛的台积电和三星，战况将更激烈。

Substance Capital 合伙人暨基金经理人陈慧明指出，台积电能维持产业龙头地位，靠的是工艺不断进步，因此艾斯摩尔开展 1.5nm 工艺，不仅有利台积电巩固优势，“对第一名最有利”。

责编：Luffy Liu

本文综合自新浪科技、DIGITIMES、中国科技新闻网报道