展望来年3nm之争，GAAFET为何输给FinFET？（中）

几十年来，半导体行业每18-24个月芯片制造工艺都有一次迭代，实现更高的晶体管密度，达成更低的晶体管成本。虽说最近我们探讨了单晶体管成本这些年是在增加的，摩尔定律的某些组成部分也还在延续。

每个节点之下，某个维度的晶体管尺寸（gate length）缩减至上一代的0.7倍，在相同功耗下要达成性能40%的提升，与此同时面积有50%的缩减。这个“定律”推动了大量电子产品的发展，功耗更低、速度更快、功能更多...

传统的2D平面结构晶体管（planar transistor）在多个工艺节点上延续，藉由更先进的lithography设备和其他工艺技术进步来实现。但2011年，行业在20nm节点遭遇瓶颈。这种结构的晶体管开始出现短沟道效应（short-channel effects）。如果将晶体管视作一个开关，则在开关原本应当处在关断状态时，晶体管的源极和漏极却仍然存在漏电流。

于是Intel率先从平面结构晶体管转向了FinFET，诸多foundry厂也在16/14nm节点完成了这一晶体管结构的转向。相较平面结构晶体管，晶体管上fin（鳍）的出现令其3个面都与gate（栅）有接触，实现了更好的开关控制。这种结构的晶体管一直沿用至今，如今最尖端的7/5nm工艺都还在用。

但在7nm工艺以下，静态漏电的问题越来越大，原本工艺迭代的功耗和性能红利逐渐消失。这也是近些年摩尔定律失效之说甚嚣尘上的主要原因。当代尖端工艺迭代实现的同功耗性能提升，的的确确就只有15%-20%，甚至可能还不到。

但时代发展的步伐显然是不允许摩尔定律停滞的，全社会的数字化转型、AI对算力的贪婪需求、自动驾驶技术突飞猛进，都要求半导体制造工艺持续更快速地迭代。这个时间节点之下的关键技术热点便是GAAFET（和chiplet）。

来源：Lam Research

3/2nm时代下的GAAFET晶体管

上面这段话是老生常谈，不过我们还是期望把逻辑理清楚。在上篇《展望来年的3nm之争，好像还是一边倒的局面》一文中，我们大致谈到了台积电、三星、Intel的3/2nm工艺计划。台积电N3工艺预计于今年下半年量产，明年一季度上市；三星的初代3GAE极有可能已经在内部试生产，且三星量产版3nm工艺可能跳过该节点，最终其大规模量产的3nm工艺上市时间可能会比台积电稍晚，但整体应该是差不多的；Intel 3量产时间则要等到明年下半年。

其中台积电和Intel仍将在3nm节点上使用FinFET晶体管。此前台积电就谈到过，3nm节点应用FinFET，能够降低风险，客户不需要迁移到新的晶体管类型就能开展3nm芯片的设计工作。不过如上篇所言，我们仍然有机会在台积电3nm节点上看到较大程度的改进，和晶体管密度的显著提升。

三星是唯一一个要在3nm节点就迁往GAA（gate all around）结构晶体管的foundry厂。不过台积电和Intel也将在2nm节点做相同的转向。我们期望在未来制造工艺介绍文章里，用更多的篇幅来谈GAA结构晶体管和制造工艺；只不过在三星3nm GAA正式面世之前，目前掌握的资料还并不多。

来源：Lam Research

GAAFET有多种不同的称谓，比如说有人叫他nanosheet FET，Intel则称其为RibbonFET。GAA结构晶体管的本质，就是把FinFET的fin转90°，然后把多个fin横向叠起来，这些fin都穿过gate——或者说被gate完全环抱，所以叫做gate all around；另外每个翻转过的fin都像是一片薄片（sheet），它们都是channel，叫做nanosheet FET也是顺理成章的。

从结构上来看，GAAFET晶体管的gate与channel的接触面积变大了，且每一面均有接触，也就能够实现相比FinFET更好的开关控制。而且对于FinFET而言，fin的宽度是个定值；但对GAAFET而言，sheet本身的宽度与有效沟道宽度是灵活可变的。更宽的sheet自然能够达成更高的驱动电流和性能，更窄的sheet则占用更小的面积。而且对FinFET而言，fin的数量还实实在在影响到了晶体管的面积。

作为业界主流发展方向，GAAFET看起来是十分美好的。不过在3nm这个临界工艺上，GAAFET和FinFET相比，并不能带来什么实质性的性能和功耗变化。分析师预测，在该节点下，CPP（contacted poly pitch，一般可理解为栅间距）差不多都在48nm附近，metal pitch金属间距则为22nm左右。（下图提供5nm节点，晶体管各部分间距的参考）

来源：Scotten Jones, IC Knowledge via SemiWiki，发布于2019.5

另外，三星作为GAAFET晶体管生产制造的马前卒，必然面临更多的技术挑战。比如说硅基沟道中较低的空穴迁移率（hole mobility），致pFET性能表现不佳。IBM在此前的IEDM上表示，这一问题的解决方法在于pFET可应用压缩应力的锗化硅（SiGe）沟道材料：“pFET锗化硅沟道能够实现40%的迁移率提升，相较硅基沟道有10%的性能优势，而且有更低的阈值电压（Vt），NBTI（负偏压温度不稳定性）表现也有提升。”

GAAFET的制造流程，首先在substrate上沉积超薄的锗化硅与硅的交替层，形成一种超晶格结构（super-lattice），每种材料叠多层。sheet就是在超晶格结构中曝光与蚀刻的。随后内部spacer隔层构成；在spacer蚀刻时，超晶格结构中，锗化硅层的表面部分凹陷，再填入介电材料。随后源极漏极形成；超晶格结构中的锗化硅层移除，留下硅基层sheet，也就是channel沟道。最后，通过沉积high-k（高介电常数）的介电与金属gate材料来构成gate。

来源：Lam Research

每一步都存在相当多的工程问题，也就要求工厂有完美的工艺流程控制策略。材料供应商Brewer Science说越小的节点，工艺控制存在的挑战就越大。在3nm节点以后，EUV微影、原子层沉积（atomic layer deposition）、检测与量测等等技术都需要持续进化。

三星GAAFET的部分已知信息

三星宣传中的GAA结构晶体管叫做MBCFET，multi-bridge channel FET。此前三星曾表示：“MBCFET技术是进入生产和量产的卓越进步。实现了出色的器件特性。我们用一颗256Mb SRAM测试芯片和一颗逻辑测试芯片，来推动3nm工艺生产的准备工作。”另外，去年年中三星和Synopsys共同宣布，应用三星3nm工艺的首颗高性能、多子系统SoC芯片流片。

在IEEE ISSCC 2021上，三星也展示了SRAM测试芯片。只不过三星在这次会上并未提供任何可比较、可参考的数据信息；会上所提的主要都是已知的一些相关GAA晶体管结构、大方向的资料。比如说channel接触面更广、四面都接触；而且因为sheet堆叠的方向和此前的fin是不同的，所以更少受制于channel宽度，在旗舰功耗和性能方面提供了更大的灵活性。这在前文及本文的上篇中都已经提到了。

来源：三星 via Wikichip

三星在会上谈到了3nm GAA工艺，相比于4nm FinFET在频率和功耗方面的优势，具体如上图所示。不过也就真的只是如图所示了，绝对值和相对值都没有提供。大致上只能笼统地说，3nm GAA相比4nm FinFET晶体管，在相同的有效沟道宽度（Weff，fin/sheet的宽度 x fin/sheet的个数）下，3nm GAA能够达成更高的频率；与此同时达成更低的功耗。

GAA晶体管sheet这种可宽、可窄的特性，决定了在逻辑电路之外，可利用更小宽度sheet的晶体管，实现高密度SRAM存储，达成功耗和面积的降低；对于高性能SRAM的bitcell而言，则可使用更宽的sheet。从Wikichip对于三星3nm GAA的报道来看，SRAM电路是三星在ISSCC 2021上谈论的重点。

相比FinFET实现高密度SRAM设计需要用1:1:1的比例，GAA可使用1:α:α甚至1:α:β比例。这里的α应该是代表pu（pull up晶体管，也就是load transistor高电位状态晶体管）沟道宽度比值，β代表pd（pull down晶体管，也就是drive transistor低电位状态晶体管）大于pass gate（access transistor，用于bitline接入实现读写）宽度的某个比值。（* β ratio应为Wpd/Wpg，α ratio应为Wpu/Wpd）

1:α:α比值下，更宽的沟道提升了access disturb margin（访问干扰裕度）；更优的比值下，disturb margin可在不影响write margin的情况下得到提升。有了更好的distrub margin表现，也就能专注于优化写入辅助（write-assist）电路。针对写入辅助电路，三星谈到一种ADBL（adaptive dual-bitline，自适应双位线）SRAM方案，写入操作时auxiliary bitline（辅助位线）与bitline并联，能够降低有效位线电阻，实现write margin的提升。读取操作时auxiliary bitline断开，所以不会影响到速度或功耗。三星展示的256Mb SRAM测试芯片应用新的辅助电路。

三星有篇paper（A 3-nm Gate-All-Around SRAM Featuring an Adaptive Dual-Bitline and an Adaptive Cell-Power Assist Circuit）是专门谈这种方案的，可搜索阅读。

台积电的灰烬版FinFET

谈了这么多，可能仍然没有很多同学最想了解的关键。毕竟3nm工艺现在还没有成品芯片问世。即便问世了，恐怕我们也很难搞清楚三星当前遭遇的主要技术挑战在哪儿。

本文的上篇已经谈到了三星3nm GAA工艺与台积电N3，预计在晶体管密度方面的变化——还算是比较直观的比较。总的来说，三星虽然在3nm节点上转向了GAAFET，在晶体管结构和密度潜力上占据优势。但预期的晶体管密度、功耗与速度提升，都和台积电N3 FinFET有着较大的差距。

只能说三星现阶段相关GAAFET的技术储备，在未来有机会发挥作用，并赶上台积电。但一方面在于早做新技术探索总是充满更多的不确定性，如前所述，foundry厂也需要解决大量GAAFET晶体管制造流程中的技术挑战。

与此同时，早年Intel有公布一张节点演进图。Intel的工艺节点迭代过程里，完整工艺迭代节点的第一代（比如上图中的10nm），在性能表现上是完全有可能落后于上一代工艺的增强节点（14++）的：Intel十代酷睿的Comet Lake和Ice Lake两种芯片就证实了这一点。

所以初代GAAFET探索，在性能上落后于性能挖掘到尽头的灰烬版的FinFET，也是合情合理的。更何况通常我们都认为，三星foundry的技术实力应当不及台积电。从两者的成本投入、客户名单、芯片成品的实际表现都能看出差异。

最后再来简单谈一谈有关台积电N3工艺的已知信息，可结合本文的上篇来看：

台积电的3nm FinFET，逻辑电路密度提升1.7倍，同功耗下性能提升10-15%（可对应文首的数字），同速度下功耗降低25-30%。更具体地看，台积电N3会提供3种不同的标准单元库，HD（高密度）、HC（高电流）和HPC（高性能）。HD当然是负责推升最高密度的，HPC则以更低的密度实现最大的性能提升。1.7倍说的是HD单元库（去年更新的值似乎已改为1.6倍），而HPC的密度提升为1.56倍（这个值估计还要打折扣）——高性能单元库的晶体管密度提升幅度这次还是比较大的，比N7→N5的提升更大。

此外，台积电提供N3的数据还包括1.2倍SRAM电路晶体管密度提升，与1.1倍模拟电路密度提升。其中的SRAM密度，最近两次工艺节点的提升则相比此前可谓是非常小幅度的变化（N16→N7 4x，N7→N5, 1.35x），或者说一代比一代差。这对整个行业而言大概都不是什么好消息。

对于模拟电路部分，N5和N3算是连续两代提升，虽然每次幅度都不大，但实则在N5之前模拟电路的密度提升已经停滞了很久。1.1倍都算是比较不错的数字了。这可能很大程度表明，模拟电路的密度发展几近到头。所以我们现在总说把非关键的模拟电路，主要是I/O相关的部分，以旧工艺做成单独的die，以先进封装工艺和逻辑电路die封装到一起。这也算是异构集成、chiplet、先进封装技术必然成为时代主流的一个原因。

从更实际的角度来看，台积电此前以Arm Cortex-A72处理器核心为例给出了一些数据。台积电表示，A72应用其高密度单元库，如果是N7→N5，则该处理器核心达成1.8倍的逻辑电路密度提升，15%的性能提升（同功耗下）和20%的功耗降低（同性能下）。N5→N3，同样是A72核心，可实现1.6倍逻辑电路密度提升，27%的功耗缩减和11%的性能提升。

如果换成Cortex-A78 IP的话，选择高性能单元库，则N7→N5实现了15%的性能提升、34%的功耗缩减；N5→N3实现了10%性能提升、26%功耗降低。这个值是台积电去年10月公布的，早几个月公布的值是12%性能提升、32%功耗降低，2020年公布的值又不一样。不过更新过后的信息出现了更新版N3 HPC DTCO，据说有额外12%的性能提升。依据这些值的多次变动，最终量产N3的实际表现可能还会有变化。

这些数字其实也更能解释，像天玑8100这样的芯片，究竟是怎么在仍然使用旧IP的情况下，实现看起来还挺不错的性能和效率表现的。

这些数字相信对于各位读者预期来年的3nm工艺实际表现应当会有好处。这也可能将是我们能看到的最优质的FinFET晶体管工艺了，三星3nm GAA大概是无法匹敌的。虽然或许Intel 3可能会有更好的表现，那就等将来Intel公布更多信息时再做解析吧。