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| 本文作者： 包永剛 | 2020-09-22 18:27 |
據臺灣經濟日報報道，臺積電2nm工藝取得重大突破，研發進度超前，業界看好其2023年下半年風險試產良率就可以達到90%。供應鏈透露，有別于3nm和5nm采用鰭式場效應晶體管（FinFET），臺積電的2nm工藝改用全新的多橋通道場效電晶體（MBCFET）架構。
據悉，臺積電去年成立了2nm專案研發團隊，尋找可行路徑進行開發。考量成本、設備相容、技術成熟及效能表現等多項條件，2nm采以環繞閘極（GAA）制程為基礎的MBCFET架構，解決FinFET因制程微縮產生電流控制漏電的物理極限問題。
極紫外光（EUV）微顯影技術的提升，使臺積電研發多年的納米片（Nano Sheet）堆疊關鍵技術更為成熟，良率提升進度較預期順利。臺積電此前透露2nm研發生產將在新竹寶山，規劃P1到P4四個超大型晶圓廠，占地90多公頃。
圖片來源：臺灣經濟日報
以臺積電2nm目前的研發進度研判，供應鏈預計臺積電2023年下半年可望進入風險性試產，2024年正式量產。今年4月也有報道指出，臺積電已經在研究2024年的2nm iPhone處理器，并且已經開始研究2nm以下的節點。
晶體管是突破先進半導體制程的關鍵。比如在45nm的階段，業界引入了high-k值絕緣層/金屬柵極（HKMG）工藝，在32nm處引入了第二代 high-k 絕緣層/金屬柵工藝。但當晶體管尺寸小于25nm時，傳統的平面場效應管的尺寸已經無法縮小。
加州大學伯克利分校胡正明教授發明的鰭式場效晶體管（Fin Field-Effect Transistor）解決了這一問題，其主要思想就是將場效應管立體化，這種新的互補式金氧半導體晶體管，可以改善電路控制并減少漏電流，縮短晶體管的閘長。
得益于FinFET 的發明，2011年英特爾推出了商業化的22nm FinFET。此后，基于FinFET業界將半導體制程從22nm一直向前推進到如今的5nm。但5nm制程已經將晶體管縮至原子級，硅原子的直徑是0.117nm，3nm差不多是25個硅原子首尾相連的長度。
想要繼續微縮半導體制程，需要引入新的技術。臺積電2nm采用的GAA（Gate-all-around，環繞閘極）或稱為GAAFET，它和FinFETs有相同的理念，不同之處在于GAA的柵極對溝道的四面包裹，源極和漏極不再和基底接觸。
根據設計的不同，GAA也有不同的形態，目前比較主流的四個技術是納米線、板片狀結構多路橋接鰭片、六角形截面納米線、納米環。
三星對外介紹的GAA技術是Multi-Bridge Channel FET（MBCFET），即板片狀結構多路橋接鰭片。
臺積電同樣采用MBCFET架構。臺積電總裁魏哲家日前于玉山科技協會晚宴專講時透露，臺積電制程每前進一個世代，客戶的產品速度效能提升30%- 40%，功耗可以降低20%-30%。
在GAA技術的采用上，三星更顯激進。據悉三星3nm就會導入GAA，使其3nm工藝相比7nm性能提升35%，功耗降低50%。但臺積電要到2nm才會導入GAA技術。
圖片來源：IBS
GAA可以帶來性能和功耗的降低，但成本也非常高。市場研究機構International Business Strategies (IBS)給出的數據顯示，28nm之后芯片的成本迅速上升。28nm工藝的成本為0.629億美元， 5nm將暴增至 4.76 億美元。三星稱其3nm GAA 的成本可能會超過5億美元。
新的晶體管也可能帶來革命性的改變，雷鋒網今年6月報道，一種叫做Bizen的晶體管架構，可能從另一方向打破CMOS極限。
本文參考雷鋒網
https://money.udn.com/money/story/5612/4875791#prettyPhoto
https://www.chainnews.com/articles/871450913791.htm
https://zh.wikipedia.org/wiki/FinFET 雷鋒網
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