關於台積電的2奈米製程,我們該注意什麼?

圖一 : 台積在2013年11月宣布成功試產FinFET,採用16nm生產製程。(source:TSMC)
圖一 : 台積在2013年11月宣布成功試產FinFET,採用16nm生產製程。(source:TSMC)

【作者: 籃貫銘】

在十年之前,談2奈米(nm)製程晶片的量產,那簡直就像天方夜譚,幾乎是難以想像的生產技術。但如今,台積電已經正式宣布了量產時程,這個原本市場以為不可能的晶片製程技術,將會在2025年正式量產。

而台積2nm技術的宣布有什麼重要性?它又會帶出哪些半導體製造技術的風向球?本文就從技術演進,以及競爭與成本的角度來切入分析。

FinFET微縮之路劃上休止符

台積電的2nm技術的宣布,單就技術上來說,就是正式宣告「鰭式場效電晶體(FinFET)」的微縮之路的終結。這個堪稱是近十年以來,台積電最具競爭力的晶片製程技術,最終都須止步於3nm。

毫無疑問,FinFET是個好東西,它除了讓摩爾定律得以延續外,同時也讓晶圓製造廠可以持續提升晶片的效能並縮小體積。它最大的特色就是採用了立體式的結構,改善了MOSFET的電路控制性能,並減少漏電流的發生,另一方面也縮短了電晶體的閘長。

台積是在2013年11月宣布成功試產FinFET,而當時所採用的生產製程是16nm;英特爾則是更早於台積,是在2011年就已經推出了商業化的22奈米FinFET製程技術。

至於三星,則是在14nm製程才採用了FinFET架構,不過當時他們是處於追趕的位置,還因此跳過了20nm製程,直接進攻一個全新世代的技術,並且取得了相當的成果,可以說是一次成功的策略。

但走到現在,也就是4nm和3nm這個關口,FinFET的微縮之路終究來到了盡頭。由於單片的鰭式電晶體結構在這個製程之下,其電子控制的效能會大幅度的衰減,變得十分不穩定,因此難以作為先進運算的核心技術,自然也無法延續摩爾定律對性能提升的要求,於是採用新架構的呼聲就不斷在產業界與學研界裡響起。

雖然FinFET製程到了5nm以下就變成了一個關卡,但台積依然透過他們強大的晶片製造能力,硬是讓FinFET走到了3nm。而三星則是選擇在此節點轉向次世代製程。這除了顯示台積超越業界的製造能力外,更凸顯了台積對於獲利與成本控制的高度重視。

三星搶推GAAFET製程 企圖彎道超車

洞悉到FinFET的極限之後,晶圓製造業者們當然就開始著手進行相關的研究布局,以因應未來的先進製程服務之爭。但說白了,現在市場上也就只剩下三星和台積兩家公司有能力進行實際的量產,所以目前若要尋求3nm以下的晶片製造服務,就是一個非T及S的局。誰先端出,誰就贏了,至少表面上是這樣子。

也由於現在這兩強之爭的局面,讓落後的三星不得不採行較為激烈的「彎道超車」策略,企圖在3nm這個製程世代上,就開始導入新的電晶體架構技術,並期望藉此追上,甚至是超越台積電。

而三星他們選擇的製程稱為GAAFET「Gate-All-around Field-Effect Transistor」。

依據三星的說明,它們的GAAFET是一種採用自行研發通道較寬的奈米片結構,也就是自有的「MBCFET(Multi-Bridge Channel FET)」技術。相較於較窄的奈米線GAA技術架構,這種寬型的結構可以帶來更高的效能與更佳的能源效率。

【欲閱讀更豐富的內容,請參閱CTIMES雜誌 2022 年8 月號第 339 期】

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