3nm!三星 GAA工藝超越 FinFET,領(lǐng)先臺積電

5月14日，在三星的代工論壇活動中，三星發(fā)布了其第一款3nm工藝的產(chǎn)品設(shè)計套件（PDK） alpha 0.1版本，旨在幫助客戶盡早開始設(shè)計工作，提高設(shè)計競爭力，同時縮短周轉(zhuǎn)時間（TAT）。這一宣布的特別之處在于，3nm是三星打算推出下一代環(huán)繞柵極Gate-All-Around（GAA）技術(shù)以取代FinFET的工藝節(jié)點。這個被稱為當(dāng)前FinFET 技術(shù)進(jìn)化版的生產(chǎn)技術(shù)，能夠?qū)?a target="_blank">芯片核心的晶體管進(jìn)行重新設(shè)計和改造，使其更小更快。

而根據(jù)國際商業(yè)戰(zhàn)略咨詢公司(International Business Strategies) 執(zhí)行長Handel Jones 表示，目前三星正透過強大的材料研究讓晶圓制造技術(shù)獲得發(fā)展。而在GAA 的技術(shù)發(fā)展上，三星大約領(lǐng)先臺積電1 年的時間，而英特爾封面則是落后三星2 到3 年。

與7nm技術(shù)相比，三星的3GAE工藝可將芯片面積減少45％，功耗降低50％或性能提高35％?；贕AA的工藝節(jié)點有望在下一代應(yīng)用中廣泛采用，例如移動，網(wǎng)絡(luò)，汽車，人工智能（AI）和物聯(lián)網(wǎng)。

三星計劃通過其3納米工藝的專有MBCFET?（多橋通道FET）技術(shù)為其無晶圓廠客戶提供獨特的優(yōu)勢。MBCFET?是一種先進(jìn)的薄而長的線型GAA結(jié)構(gòu)，可堆疊薄而長的納米片，如紙張，以提高性能和功率效率，以及與pinpet工藝的兼容性。它具有利用技術(shù)的優(yōu)勢。

平面FET，F(xiàn)inFET，GAAFET，MBCFET?晶體管結(jié)構(gòu)

超越FinFET：GAA

在過去十年中，基于邏輯的工藝技術(shù)創(chuàng)新的主要驅(qū)動力是FinFET。與標(biāo)準(zhǔn)平面晶體管相比，F(xiàn)inFET在工藝節(jié)點減小時允許更好的性能和電壓縮放，從而最大限度地減少了晶體管限制的負(fù)面影響。FinFET通過在垂直方向上縮放來增加晶體管的溝道和柵極之間的接觸面積，與平面設(shè)計相比允許更快的切換時間和更高的電流密度。

然而，就像平面晶體管一樣，F(xiàn)inFET晶體管最終會達(dá)到一個極限點，隨著工藝節(jié)點的收縮，它們無法伸縮。為了擴(kuò)大規(guī)模，通道和柵極之間的接觸面積需要增加，實現(xiàn)這一點的方法是采用Gate-All-Around（GAA）的設(shè)計。GAA調(diào)整晶體管的尺寸，以確保柵極不僅在頂部和兩側(cè)，也在通道下方。這使得GAA設(shè)計可以垂直堆疊晶體管，而不是橫向堆疊。

基于GAA的FET（GAAFET）可以具有多種形狀因子。大多數(shù)研究都指向基于納米線的GAAFET，具有較小的通道寬度并使通道盡可能小。這些類型的GAAFET通?？捎糜诘凸脑O(shè)計，但難以制造。另一種實現(xiàn)方式是使通道像水平板一樣，增加通道的體積，從而提供性能和擴(kuò)展的好處。這種基于納米片的GAAFET是三星所謂的多橋通道FET或MBCFET，它將成為該公司的商標(biāo)名稱。

在平面晶體管縮放到22nm/ 16nm左右的情況下，當(dāng)我們從22nm/ 14nm下降到5nm和4nm時，F(xiàn)inFET是理想的。三星計劃在其3nm設(shè)計上推出基于納米片的GAAFET，完全取代FinFET。

3nm PDK

當(dāng)半導(dǎo)體公司在給定工藝上設(shè)計新芯片時，他們需要的工具之一是來自代工廠的設(shè)計套件（PDK）。例如，對于在14nm芯片上創(chuàng)建Arm芯片的人來說，他們會調(diào)用Arm并要求為三星、臺積電或GlobalFoundries提供的Cortex-A55設(shè)計套件，該套件已針對該流程進(jìn)行了優(yōu)化。對于14nm，這些設(shè)計套件非常成熟，根據(jù)您是否需要高頻率或低功耗優(yōu)化，Arm可能會提供不同的版本。

然而，對于一個新的工藝技術(shù)時，PDK會經(jīng)歷alpha和beta版本。PDK包含流程的設(shè)計規(guī)則，以及用于實現(xiàn)功耗和性能最佳的優(yōu)化。

三星在今天推出其第一代3nm alpha版PDK，用于采用MBCFET的第一代3nm工藝。三星將此流程稱為“3GAE”流程，這個alpha版本將允許其合作伙伴開始掌握其3GAE流程的一些新設(shè)計規(guī)則。

三星在其首個3GAE流程中做出了許多承諾。其中一個標(biāo)題是將工作電壓從0.75伏降低到0.70伏。與7nm相比，三星的3GAE工藝旨在將芯片面積減少45％，功耗降低50％或性能提高35％。

三星表示，這些性能數(shù)據(jù)基于對頻率很重要的關(guān)鍵路徑使用較大寬度的單元，而對于非關(guān)鍵路徑使用較小寬度單元，其中節(jié)能是至關(guān)重要的。

從中可以看出其中的一些：三星預(yù)計其3GAE流程將在2020年首次提供客戶流片，2020年末風(fēng)險生產(chǎn)，2021年末批量生產(chǎn)。

除了3GAE之外，三星已經(jīng)預(yù)測其第二代3nm工藝將被稱為3GAP，重點是高性能操作。3GAE將于2021年投入風(fēng)險生產(chǎn)，大規(guī)模生產(chǎn)可能在2022年。

PDK工具和EDA合作伙伴

PDK工具包括SPICE，DRC，LVS，PEX，P-Cell，F(xiàn)ill Deck和P＆RTechfile。EDA合作伙伴包括Cadence，Mentor和Synopsys。