三星的3nm量产！领先了台积电，赶鸭子上架？GAA技术有什么优势？

前段时间，就像此前的传言一样，三星前段时间正式宣布，它已经开始大规模生产3nm芯片，这也让台积电在世界上第一个量产3nm芯片。

三星大规模生产3纳米GAA，上海硅片是第一个用户

在年六月，三星公司宣布了其3nm工艺的GAA技术已经实现了流片。三星公司于年10月发布了“SamsungFoundryForum”，并宣布其将在年上半年超过台积电。

三星在3nm制程上，已经超过了台积电。三星设备解决方案部门的技术主管JeongEun-seung在去年就说过：“虽然三星在年刚刚建立了芯片代工部门，但是凭借其在存储技术上的优势，超过台积电只是时间问题。”他还提到三星在台积电之前就已经开始大规模生产14nm制程，其中FinFET技术。

虽然此前有传言说，三星3nm的良率太低，无法量产，但三星还是在年的最后一天，宣布了3nm制程的量产。

三星公司发布的一份正式公告称，与传统5纳米制程芯片相比，该芯片的功耗下降了45%，性能提升了23%，面积减小了16%。

但上述数据和三星此前披露的（性能提高30%、功耗降低50%、逻辑面积提高45%）相比，已经有了明显的下降。

值得一提的是，三星不仅率先量产了3nm制程，而且还是世界上首家将GAA技术用于大规模生产的3nm芯片，而台积电的3nm工艺将在下半年大规模生产，不过它还是以FinFET为基础，台积电只会在2nm制程上使用GAA技术，而量产的时间，将在年。

三星芯片代工部门负责人西扬格说：“我们会不断地进行具有竞争性的技术研发。”

中国上海盘石将成为第一个用户

尽管三星还没有公布其3纳米GAA工艺的客户，但据透露，三星和中国本土的一家矿机芯片制造商——

上海盘硅半导体科技有限公司将成为第一个用户.而三星最大的客户高通，也有可能会订购3nm芯片，不过会根据具体的情况，进行量产。

上海盘硅半导体技术有限公司，创建于年3月，注册资金万，总部设在上海，专业从事电子数字加密和Al应用领域的ASIC设计。

三星总裁KyungKye-hyun今年初曾说，它将在中国寻求新的客户，由于从汽车生产商到家用电器厂商，所有公司都在努力提高产能，以应对全球芯片供应的持续不足，因此中国市场有望快速发展。

“真宣传”和“真量产”？

尽管三星在台积电之前就已经开始大规模生产3纳米GAA制程，但由于要实现上半年的量产，所以在上半年的最后一天，前段时间才正式开始量产，这也让部分分析师认为，其3nmGAA制程工艺量产只是“赶鸭子上架”，其宣传意义大于实际意义。

例如台湾工研院妇科所的国际研究所主任杨瑞临就指出，GAA的蚀刻和量测还有待解决，材料、化学等也有待改进，GAA的全球生态体系还没有建立起来，三星目前的3nmGAA技术，只能是“临时抱佛脚”。

ASML新一代High-NAEUV光刻机有望在年末正式交付给用户。台积电与英特尔均已决定采取

High-NAEUV光刻机是以GGA结构为基础的2纳米制程。

杨瑞临表示，三星公司目前的技术，可以大规模生产3纳米GAA，但成本会增加，交货时间会延长，良率提升速度会慢，品质也会下降。由于成本模型难以建立，三星很难向顾客提出报价，预计三星公司的3nmGAA技术只适合自己使用，没有实际的外部用户。

台湾经院产经资料库的研究员兼主任刘佩真也说，三星目前还没有接到3nm的定单，前段时间公布3纳米工艺的生产，应该是为了宣传而非实质的。

在这之前，三星在工艺上的稳定性、良率、发热等方面，都要逊色于台积电。之前三星公司生产的骁龙8在4nm芯片上的散热问题，高通将目光投向了台积电的4nm芯片骁龙8+。

但台湾有关部门的立场与看法，却更倾向于本地台积电，对三星3nmGAA持怀疑态度，也是很正常的事情。

类似地，韩国的半导体分析师们也倾向于看好本国的三星。韩国的一位半导体分析师GregRoh称，三星3nm工艺的良品率的提高比市场预计的要快得多，并且新的客户数量也很多。

GAA体系结构的晶体管究竟有什么优点？

常规的平板型晶体管（PlanarFET）可以通过降低电压来节约功率，但是，平板型晶体管的短沟道效应会限制电压的持续下降，而FinFET（FinFET）的出现使电压再度下降，但是由于工艺的不断发展，FinFET已无法满足要求。因此，GAA（Gate-all-around）技术就出现了。

如下面所示，GAA的典型格式-GAAFET是采用纳米线沟道结构的（Gate-all-aroundFETs)，沟道的整个外缘都被栅极完全覆盖，这表示栅极可以更好地控制沟道。与此相反，常规FinFET沟道只有3个侧面被栅极围绕。与FinFET相比，GAAFET结构的晶体管具有更好的静电性能，可以满足一定的栅极宽度要求。这主要是由于GAA在相同的尺寸下，其通道控制性能得到了加强，并且能够使其尺寸更小。

然而，三星公司相信，使用奈米线的设计不但复杂，而且所需的费用也会比所获的要多得多。为此，三星公司推出了一种新型GAA结构，即MBCFET（多桥-通道场效应管），并将其应用于GAAFET中。该奈米板的设计已经被IMEC作为FinFET结构的后续产品，IBM和三星以及格罗方德公司共同开发。

三星称MBCFET可以减少复杂性，同时保持GAAFET的优势。MBCFET的设计与以前的FinFET技术相兼容，可以将FinFET的设计直接移植到MBCFET中，提高了MBCFET的性能，而不需要提高区域。

另外，在生产过程中，由于采用了90%的FinFET生产技术和装置，所以该技术具有很高的可加工性，仅需要很小的调整。

三星在去年就宣布，MBCFET的栅极控制性能优于三星原来的FinFET技术，并且可以通过直接成像来改变奈米晶体管的沟槽宽度，使得其设计更加灵活。

三星的3纳米GAA（MBCFET）技术可分为3GAAE（3纳米Gate-AlI-AroundEarly）和3GAAP（3nmGate-AlI-AroundEarly）。而现在，3GAAE正在批量生产。

三星3nm制程的GAA技术与台积电的FinFET相比，与3nm制程的FinFET相比，三星想要大规模生产3纳米GAA制程，就必须要有新的设计与验证手段。

据悉，三星3纳米GAA制程技术是新思公司FusionDesignPlatform平台，为其GAA体系结构的制造过程提供了一个很好的参照。三星3纳米GAA工艺的PDK系列产品，于年5月推出，并于年获得工艺技术认证。

新思公司数码设计部门的总经理ShankarKrishnamoorthy曾经说过，GAA的晶体管结构是工艺技术发展的一个重要转折点，是维持下一轮大规模技术革新的关键。新思科技与三星达成战略伙伴关系，为客户提供最先进的技术和解决方案，保证持续的发展，同时也为半导体行业带来机遇。

台积电和英特尔将GAA技术引进2nm工艺

三星在推动先进工艺方面，一直以来都是在追求台积电。而台积电，这个行业的领导者，却相对稳定。

台积电并没有在3nm制程中使用GAA结构的晶体管，而是使用FinFET(FinFET)，这让台积电的稳定性更好，可以继续使用以前的技术，而且成本也会更高。同时也为台积电留出了更多的时间来进行GAA芯片结构的优化。

台积电在年台积电技术论坛上发布的资料表明，它的大规模生产仍然是FinFET晶体管。

N3E（低成本3nm）工艺，与之前5mm工艺相比，其性能提高了18%，功率减少了34%，并且提高了30%的晶体管密度。

从这一点上来说，三星的3纳米GAA制程技术在性能上的提高和功率上都要高于台积电（3纳米VS.5nm）。

此外，三星3纳米GAA制程的晶体管密度仅与3纳米GAA工艺相比较。

其上一代5nm制程工艺的晶体管密度只提高16%（

面积可以降低16%）。相比之下，台积电的3纳米晶体管密度要高出30%。

这意味着三星3纳米GAA制程技术通过减少晶体管密度来实现更高的性能和更低的功率消耗。

我们从台积电发布的2纳米GAA制程与其3nm制程的数据中，可以看出GAA技术的直接提高。

台积电首次应用

纳米晶体管（GAA）结构

N2（2纳米）

加工工艺

与N3E（低价3nm）工艺相比，在功率消耗相同的情况下，其性能可提高10-15%；而台积电2nm制程在同等性能时，其功耗可减少23-30%；只有10%的晶体管密度提高。

这意味着，台积电的2纳米GAA制程技术，在提高了10%的晶体管密度后，性能提高了15%，功率消耗减少了30%。与台积电3nm相比，几乎是相差无几的，甚至在芯片密度提高了30%之后，这一点几乎可以与5nm相提并论。这也从侧面反映出了GAA芯片的性能。

英特尔和台积电一样，也在Intel3（台积电的3nm制程）中，选择了FinFET技术，预计年可以批量生产，其性能将会比Intel4提高18%左右。直到Intel20A（台积电的2nm制程），英特尔才会采用RibbonFET（GAA）技术，预期会比台积电早于年开始批量生产，不过详细资料尚未透露。

在GAA专利技术布局上，此前有资料表明，-年，GAA的GAA专利占到了31.4%，而三星占到了20.6%。

先进工艺芯片代工市场竞争日趋激烈

三星公司一直想要在芯片代工方面超过台积电，而在这方面，两家公司之间的竞争也就更加激烈了。提前将半导体制造技术批量生产出来，这是三星公司最大的优势，也是最好的证明。这也是为什么三星可以在第一时间批量生产出更先进的制程技术的原因。

就拿年末来说，三星已经领先于台积电，将14nm制程生产出来，而台积电则是在年中期才正式投入生产。而三星在生产工艺上的领先优势，也让苹果公司成功地赢得了苹果公司A9处理器的一半以上的订单。

不过，不管是从用户的角度，还是从专业的角度来看，iPhone6S的性能和性能都要比台积电的16nm处理器的iPhone6S要差一些。

台积电在10纳米到7纳米到5纳米的生产上，一直是三星的领头羊，所以从A10到A10的芯片，都是台积电负责的。

数据表明，近几年来，台积电一直是台积电最大的客户，尤其是在其M系列产品的成功后，更是让公司的收入有了质的飞跃。苹果公司，或将占据台积电年总收入的26%。

TrendForce表示，台积电在今年第一季度占据53.6%的晶片代工市场，而三星则只有16.3%，与此形成了很大的差距。

所以，三星只有在最尖端的制程技术上，台积电才有可能拿到像苹果一样的大客户，占据更大的市场份额，进而超过台积电。

而三星为了赶超台积电，于年设立了一家独立的芯片代工部门，将其视为重点，并不断加大投资。三星公司计划于年前投入万亿韩元，使其成为世界上最大的半导体制造商。

同时，台积电公司在过去的三年里，已将其资本支出累积至亿美元。

随着三星公司的努力赶上台积电，新的“搅局者”英特尔也加入了这个市场。

英特尔的新首席执行官基辛格在前段时间公布了IDM2.0策略，主要的一步就是重新启动芯片代工，英特尔也相继公布了大规模的产能扩充方案和先进的生产流程。

首先，就能力而言，从去年开始，英特尔就已经在美国亚利桑那州投入了美元的资金，在美国俄亥俄州建设了亿美元，在俄亥俄州建设了两个先进的晶圆厂，在俄勒冈州扩建了30亿美元的D1X晶圆厂，未来10年在欧洲的亿美元（其中，在德国马德堡建了两个先进的晶圆厂）；在爱尔兰莱克斯利普，投入亿欧元，将生产规模翻一番。

英特尔在前段时间也宣布，将以53美元的价格，向世界上排名第10的高达半导体公司，这笔交易总额达54亿美元。英特尔表示，此次并购极大地推动了英特尔IDM2.0策略的发展，使英特尔的产能、全球布局和技术结构得到了进一步的拓展，从而达到了空前的产业需要。

在先进的制程技术的发展上，英特尔公司在前段时间公布了Intel20A芯片的生产计划，到年上半年，Intel18A芯片将会在年大规模生产。

英特尔首席执行官基辛格在三月份的摩根士丹利股东会议上表示，他对英特尔的IDM2.0战略规划充满了信心，并且英特尔的高级工艺技术也取得了超出预期的进步。基辛格着重指出，英特尔7工艺已经批量生产，并且已经开始扩大生产。四代芯片的开发，分别是两个小组，一组负责Intel4和Intel3的改进，一组负责20A和18A。按照计划，英特尔20A芯片将在年上半年批量生产，而芯片18A芯片则会在年下半年开始生产。

因为三星与台积电都将在年大量生产2nm，所以英特尔希望在年能超过台积电及三星。

值得一提的是，英特尔在去年宣布，将在年上半年大规模生产Intel20A芯片，并将与高通进行合作。基辛格在三月份还宣布，将来最尖端的技术将会在芯片上进行代工，Intel3和Intel18A都有客户，但是没有公布详细的清单。

英特尔向投资者发布了一份报告，英特尔在第一季度的收入增长了%，这是其主要业务中增长最快的一个，它的订单数量超过了30个，包括思科和亚马逊。

英特尔进入芯片代工领域，势必会给原本就充满竞争的先进芯片代工市场造成新的竞争，而台积电和三星则会面对新的挑战。