[科学、技术和工业的柳叶刀]

在去年的2019年“三星铸造论坛”会议上，三星宣布了3n工艺，明确放弃鳍式场效应晶体管，转而采用砷化镓环绕栅晶体管技术。现在有消息透露，英特尔将放弃在5纳米节点的鳍式场效应晶体管，并将切换到砷化镓。三个晶圆代工巨头中的两个已经改变了风向。尽管TSMC对其3nm工艺的细节保密，但似乎毫无疑问，它将放弃FinFET工艺。

从平面MOSFET到FinFET 一切都为高集成度芯片

进入舞台不到十年，FinFET现在在昏暗的灯光下离开舞台。似乎不可能留下来。然而，随着市场需求和技术进步，从平面金属氧化物半导体场效应晶体管(金属氧化物半导体场效应晶体管)到鳍式场效应晶体管(鳍式场效应晶体管)，再到砷化镓(环绕栅极)的所有工艺都在为更高集成度的芯片服务。

自从平面MOSFET器件技术诞生以来，特征尺寸一直在不断缩小。根据摩尔定律，整合水平在18个月内几乎翻了一番。尺寸的减小不仅降低了单个晶体管的成本，还提高了晶体管的开关速度。从20世纪90年代的多媒体电脑、本世纪初的互联网电脑，到21世纪10年代的智能移动设备，一系列新应用市场的开放与处理器芯片性能的提高密切相关。

在晶体管特征尺寸减小的过程中，遇到了各种困难，但是通过将铝互连改变为铜互连、向栅极添加高k材料、引入应力工程和其他方法，可以在不改变平面器件的过程的情况下减小尺寸。

然而，当栅极长度接近20nm阈值时，电流控制能力急剧下降，并且泄漏率也增加。传统的平面金属氧化物半导体场效应晶体管似乎已经走到了尽头，而材料的改变并不能解决这个问题。

当时，加州大学伯克利分校的胡正明教授给出了一个新的设计方案，即鳍式场效应晶体管。在鳍式场效应晶体管中，沟道不再是二维的，而是三维的“鳍”形，并且栅极是围绕“鳍”的三维的，这大大增加了栅极对沟道的控制，从而解决了泄漏问题。

2001年，胡正明在学术界正式提出了FinFET方案，但要真正实现商业化还需要10年时间。英特尔在鳍式场效应晶体管技术方面处于领先地位，于2011年引入了商用鳍式场效应晶体管技术。TSMC紧随其后，在16纳米节点上使用了鳍式场效应晶体管。从16/14纳米开始，鳍式场效应晶体管已经成为半导体器件的主流选择。

然而，胡正明在开始时也提出了另一个方案，即基于绝缘体上硅的超宽绝缘体上硅技术。该技术在物联网、汽车、网络基础设施和消费产品领域的制造芯片中也有一定的市场。三星、网格核心、IBM和ST也一直在努力推进。然而，与鳍式场效应管技术相比，场发射硅氧化物半导体一直徘徊在第二条线上。此外，业内专家还指出，由于基板成本较高，随着基板尺寸的增大，越来越难以缩小，最高可达12纳米，这在未来很难维持。

荣光不到十年 FinFET的替代者出现

自2011年英特尔将鳍式场效应晶体管技术商业化以来，鳍式场效应晶体管架构不断得到改进，以提高性能并缩小面积。然而，物联网、大数据、人工智能、智能驾驶等新应用层出不穷，对芯片的性能提出了更高的要求。

在到达5纳米节点之后，虽然使用了EUV光刻技术，但是基于鳍式场效应晶体管结构的芯片尺寸减小变得更加困难。FinFET工艺制造和研发成本也越来越高。即使在7纳米和5纳米，它仍然可以保持，但它似乎超出了我们的能力前进。

图来自《IEEE SPECTRUM》官方网站

市场对高性能芯片的需求继续推动着技术的发展。当人们担心3n节点工艺时，新的环绕门(GAA)器件出现了。不同于鳍式场效应晶体管工艺中的三维沟道的三个侧面，在砷化镓中，沟道由纳米线构成，其四个侧面被栅极包围，从而再次增强了栅极对沟道的控制能力，有效地减少了泄漏。

三大晶圆代工巨头开始转向 FinFET的退出3nm节点难挽回

在公认会计原则技术方面，三星手快眼快。它在英特尔和TSMC之前率先接过接力棒。2018年，三星宣布了一种称为多桥沟道场效应晶体管(MBCFET)的环绕栅极工艺。事实上，研发始于多年前。在2017年的超大规模集成电路技术研讨会上，IBM宣布与三星和全球晶圆厂合作开发5纳米砷化镓晶体管。

据透露，三星的3nm工艺分为3GAE和3GAP，后者性能更好，但第一代砷化镓晶体管工艺3GAE。三星表示，基于新的砷化镓晶体管结构，三星已经使用纳米芯片设备制造了多桥沟道场效应晶体管。该技术可显著提高晶体管性能，并主要取代鳍式场效应管晶体管技术。

在7纳米和5纳米节点上，TSMC表现非常好。去年12月，高通枭龙865宣布采用TSMC最新的7纳米工艺。TSMC的7纳米工艺还有另一个大客户。尽管三星持有7纳米EUV订单的一部分，但TSMC仍是7纳米节点整体客户订单数量最多的国家。

去年12月，有消息称，TSMC的5纳米工艺产量已经达到50%，比之前的原7纳米工艺试生产要好。最早在今年第一季度就可以投入批量生产，初期月生产能力为5万件，之后将逐步增加到7-8万件。最初的生产能力将由苹果和华为承包。

为了争夺晶圆代工的领先地位，三星也在加紧努力赶上TSMC。去年4月，三星宣布完成5纳米工艺开发，并充分利用EUV光刻技术。几天前，韩国媒体报道称，三星正在韩国华城加快建设5纳米生产工厂V1。三星已经订购了主要设备工厂，并预计在6月底前完成生产线建设。

三星已经在7纳米和5纳米的位置上落后于TSMC，它押注于3纳米，并希望在这个节点上超过TSMC。因此，三星对3GAE技术寄予厚望。此外，三星计划到2030年投资1160亿美元巩固其半导体巨头的地位。

与三星相比，TSMC极其低调。虽然TSMC声称2020年批量生产的5纳米工艺仍将使用鳍式场效应管工艺，但预计其3纳米工艺将在2023年甚至2022年批量生产，但具体工艺细节尚未公布。TSMC首席执行官魏哲佳此前表示，他们将在4月29日的TSMC北美技术研讨会上披露更多细节。

随着5纳米工艺即将大规模投入生产，TSMC正在与客户合作设计3纳米工艺。魏哲佳还透露，他们在研发方面有多种技术选择，并在仔细评估所有不同的方法。他们的决定基于技术和成熟度、性能和成本。

有传言称，在3纳米节点上，TSMC可能不如三星积极。只有在第二代3纳米或2纳米时，才可能继续使用鳍式场效应晶体管技术并升级到砷化镓晶体管技术。《电子时报》此前有报道称，TSMC已经在中国南台湾科学园获得30公顷土地，并开始建设一个3纳米工艺晶圆厂。预计3nm处理器的大规模生产将于2023年开始。

考虑到FinFET工艺本身的物理特性，TSMC还强调3nm是全新的。为了保持竞争力，不太可能使用场效应晶体管，转而使用公认会计原则是一个高概率事件。毕竟，三星已经开始使用GAE环绕栅极晶体管来取代目前的鳍式场效应晶体管。

与三星和TSMC相比，英特尔更加雄心勃勃。各种来源表明，它将放弃直接在5纳米节点的鳍场效应晶体管，并切换到砷化镓环绕栅极晶体管。

英特尔首先在22纳米节点上启动了鳍式场效应晶体管，但在开发10纳米工艺时，由于过于激进的性能目标，遇到了许多困难，导致10纳米延迟多年。在5纳米节点上切换到砷化镓技术完全符合英特尔“重新获得5纳米技术的领导地位”的承诺。

在公认会计原则过程中，英特尔更早跟进，但目前其5纳米产品的生产时间尚不明确。英特尔宣布在2021年推出7纳米技术。第一个产品是用于数据中心的Ponte Vecchio加速器卡。与此同时，英特尔还提到，7纳米后制造技术的发展周期将回到之前的两年升级节奏。根据这一计算，其5纳米过程的“真实体积”最早可以在2023年看到。

结束语

平面工艺晶体管的特征尺寸缩减已经持续了几十年，而鳍式场效应晶体管技术在商业上的应用还不到十年。对高性能芯片的追求导致新制造工艺的更新越来越快。虽然TSMC还没有明确表示是否放弃3n工艺中的FinFET工艺，但三星和英特尔这两大铸造巨头似乎已经转向GAA工艺，这也预示着FinFET将在更先进的节点中终结。

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