三星在先进工艺上一直落后于台积电，为弯道超车并决意在3nm节点上转换架构，不过这并非半导体在工艺上首次改变架构设计，16nm工艺之前采用的是平面晶体管架构（Planar FET），直到16nm之后才采用现在的鳍式晶体管架构（FinFET）。
近日三星代工的首批3nm GAA工艺的芯片已经完成生产，并在韩国华城园区举行出货仪式。此次三星并未公布首批出货的3nm芯片客户名单，有传闻称，中国比特币挖矿用半导体厂商——上海盘硅半导体有限公司（PanSemi）会是首批客户之一。
半导体工艺竞争白热化，业界也在不断关注台积电的3nm工艺何时量产，虽然有传闻称台积电的3nm工艺在台湾省的新竹、南科两个园区同时量产，但台积电并未确认该消息的真实性。据悉，台积电第一代3nm工艺仍用鳍式场效应晶体管技术（简称“FinFET”），第二代3nm工艺大概在2024年投产，2nm工艺在2025年投产，如果进展顺利，1nm工艺可能要在2026年或2027年才能投产了（不过这也是后话了）。
台积电的先进工艺技术组合时间线。
摩尔定律下的架构设计挑战
业界对半导体的先进工艺进展关注不减，比如“苹果M2芯片即将采用台积电5nm工艺”、“英特尔处理器或将由台积电3nm代工”等相关消息也能看出。自1965年英特尔创办人之一的戈登．摩尔于《电子学》杂志所提出“摩尔定律”开始，半导体产业就开始为持续突破摩尔定律做技术研发。那什么是先进工艺？从过去“大哥大”到现在能通话、能上网、能影视娱乐等多功能的智能手机演进，皆因这一颗小小的芯片进化。而芯片进化又跟摩尔定律有着不可分割的关系。
所谓摩尔定律，是指晶体管持续性的朝小型化路径发展，在缩小体积的同时，集成电路上的晶体管数量以几何级数量的方式增长，随着产业发展趋势的修正，晶体管的数量也从原先预期的每年翻一倍，到每18-24个月增加一倍，性能比上一代芯片提升40%的效能，为产业带来创新。
目前市场上常见的40nm、28nm、7nm工艺的命名主要根据芯片内的“栅极”长度来定。在半导体产业中突破摩尔定律之路上，以台积电、三星、英特尔为主，其他厂商皆对外宣布将止步于成熟工艺，仅针对现有工艺技术优化，不再投入研发成本来推进先进工艺布局。
三星在先进工艺上一直落后于台积电，为弯道超车并决意在3nm节点上转换架构（相关内容参考：三星公布3纳米GAA架构工艺技术芯片），不过这并非半导体在工艺上首次改变架构设计，16nm工艺之前采用的是平面晶体管架构（Planar FET），直到16nm之后才采用现在的鳍式晶体管架构（FinFET）。
架构的存在与转变，主要在于控制芯片内电子流动的表现，但芯片尺寸越来越小后，栅极也因为不易控制造成漏电情况发生，称之为短通道效应（Short Channel Effect）。因此容易产生过多能源的消耗让终端设备表现大打折扣，在16nm工艺转换架构也是为了在逐渐微缩的芯片中持续强化电流的控制，以改善短通道效应。
三种半导体工艺架构：
一、Planar FET平面晶体管
平面晶体管，顾名思义其栅极设计是为平面，能让栅极与通道在同个平面上保持接触，而接触的紧密程度将影响电流发生漏电的现象。当芯片设计持续微缩，通道的距离越来越短，容易造成短通道效应。过去半导体业界会以Doping（参杂半导体）的方式解决此一漏电问题，但是当工艺缩小、漏电情况也越趋严重，平面晶体管架构也面临到需要改变的时刻。
二、FinFET鳍式晶体管
为了扩大栅极的接触面积、改善短通道效应，半导体业界将架构从平面改以垂直立体的设计，因为通道侧看就像是鱼鳍、因而有了鳍式晶体管的名号。
三、GAAFET 栅极环绕式晶体管
短通道效应依旧会受到先进工艺的持续推进而出现，再度提出了改变架构的作法。但架构的转换在工艺各个环节都有可能受到影响需要调整，半导体业界改采栅极环绕式晶体管，虽同为立体的概念、但鳍式晶体管仅有三面接触通道，闸极环绕式晶体管则是360度被包覆的环状结构，因此能更有效的提高对电路的控制与稳定性，减少短通道效应的情况发生。
先进工艺与成熟工艺各领风骚
虽然市场上对“先进工艺”和“成熟工艺”没有明确的定义分界，但以7nm 为分水岭，包括5nm、3nm以下的称为“先进工艺”，而7nm以上的包括16nm、28nm等称为“成熟工艺”。不同工艺的芯片体积不同，也决定了终端应用需求的差异。
成熟工艺并不因为先进工艺的技术领先受到排挤，而更多应用需求会考虑效能和成本优先选择成熟工艺。比如车用电子，常见的MCU基于安全、成本、效能等多方面考虑，主力采用45nm-130nm的成熟工艺；物联网、计算、数据处理芯片也无需追求更小的芯片设计，成熟工艺皆能满足。
而手机、笔记本电脑、云端数据等设备在追求体积微缩的同时，还强调效能运作的表现。尤其在5G、AI等各种应用如雨后春笋般出现，大量的数据和图像数据处理也需要更强大的芯片才能加速运算力。
但先进芯片带来的利润较高，决定了产业的未来，如台积电就是鲜明的例子，它以自身优越的工艺技术占据全球晶圆代工市场的半壁江山。在最新公布的2022年Q2业绩报告，季其度营收5341.41亿台币，同比增长约43.5%，环比增长8.8%；净利润2370亿新台币，同比增长76%，环比增长16.9%，超过市场预估2198.1亿新台币。
在工艺方面，台积电5nm工艺晶圆出货量占据公司营收的21%，7nm工艺晶圆出货量占据公司营收的30%，16nm和28nm营收占比分别为14%和10%，其先进工艺(7nm及更先进工艺)营收总占比高达到51%。
根据国际半导体产业协会SEMI最新统计，中国大陆预计在2024年底，将建立31座大型晶圆厂，主要锁定在成熟工艺上。虽然超过中国台湾同期间预定投入运作的19座，以及美国预期的12座。由于芯片制造设备的被限制，华尔街日报表示，这种情况已使一些中国大陆芯片企业调整路径，聚焦较低端芯片技术的计划。
不过，据International Business Strategies数据，预计到2030年，28nm芯片的需求将增加逾两倍至281亿美元。到了2025年，全球28nm工艺芯片40%的产能会是在中国大陆。
先进工艺和成熟工艺在不同领域各领风骚，但突破摩尔定律的限制也是为了加速产业的进步，在先进工艺演进中，需透过调整架构设计，解决随着芯片持续微缩而产生的各种挑战。
之前也有说法认为摩尔定律已经失效了，但业界为了持续突破半导体工艺技术，也在寻求其他解决方案，比如异质整合、芯片堆叠技术等先进封装技术，先进工艺的推进是引领全球产业进步的重中之重，或在更趋微缩的空间里，材料应用也将面临到新一波的革命。
本文参考自香港经济日报、SEMI、新浪科技等报道
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