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前言
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儘管跌跌撞撞，但三星依舊全力推進，終於搶在臺積電之前，成功量產了3nm。
然而，雖然在3nm工藝上三星拔得頭籌，但這並不代表三星在晶片代工市場上就能夠一帆風順。
作者
| 方文
圖片來源 |
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三星為GAA電晶體“站臺發聲”多時
2021年6月，三星就率先宣佈其基於GAA技術的3nm製程成已成功流片。
隨後在2021年10月三星宣佈將在2022年上半年搶先臺積電量產3nm GAA製程工藝。
今年4月，三星基於GAA電晶體的3nm工藝良率才到10%—20%，遠低於預期，這意味著公司需要付出更高的成本。
今年5月，業界再次傳出訊息，三星3nm良率問題已解決，3nm GAA製程將如期量產。
6月，三星的3nm製程已經進入了試驗性量產。
然而就在幾天後，市場卻又傳出三星因良率遠低於目標延遲3奈米晶片量產的訊息。
近日，三星正式宣佈，基於3nm全環繞柵極（Gate-All-AroundT，簡稱［GAA］）製程工藝節點的晶片已經在其位於韓國的華城工廠啟動大規模生產。
與5nm相比，三星電子初代3nm GAA工藝可較5nm降低多達45%的功耗，同時提升23%的效能和減少16%的面積佔用。
展望未來，三星第二代3nm工藝更是可以將功耗降低多達50%，同時提升30%的效能和減少35%的面積佔用。
GAA架構是“大膽而危險”的嘗試
傳統的平面電晶體（Planar FET）透過降低電壓來節省功耗。
然而，平面電晶體的短溝道效應限制了電壓的繼續降低，而FinFET（鰭式場效應電晶體）的出現使得電壓得以再次降低。
FinFET結構2011年便開始商業化，從22奈米就已經開始採用，至今已經經歷了11年的發展。
雖然在晶片進入到5nm之後，採用FinFET結構的晶片開始出現漏電等問題，但是相比較於嶄新的GAA結構，仍是相對穩定和成熟的技術。
但隨著工藝的繼續推進，FinFET已經不足以滿足需求。
於是，GAA（Gate-all-around，環繞柵極）技術應運而生。
不過，三星認為採用奈米線溝道設計不僅複雜，且付出的成本可能也大於收益。
因此，三星設計了一種全新的GAA形式——MBCFET（Multi-Bridge-Channel FET，多橋-通道場效電晶體），採用多層堆疊的奈米片來替代GAAFET中的奈米線。
工藝不穩定等問題在每一代節點中都會面臨，這需要時間和技術上的改進迭代。
GAA的工藝並不比FinFET簡單，它的發展也需要一個改進的過程。
GAA雖然是在更小尺寸下更加被普遍看好的工藝結構，但在3nm技術節點中採用GAA架構，仍是一個值得商榷的問題。
所以高通等重要客戶對三星的3nm製程工藝目前都保持觀望態度，不敢隨意進行嘗試。
三星率先量產3nm的“成功學”
如果僅從0到1的角度來分析，三星是第一個量產3nm的廠商，相比較與臺積電而言，固然是成功的。
根據三星官方公佈的宣告顯示，基於其第一代的3nm GAA工藝的晶片與傳統的5nm工藝晶片相比，功耗降低了45%，效能提高了23%，面積可減少16%。
不過，以上公佈的資料與三星之前透露的資料（效能將提升30%，能耗降可低50%，邏輯面積效率提升超過45%）有一定程度的縮水。
3nm GAA技術採用了更寬通的奈米片，與採用窄通道奈米線的GAA技術相比能提供更高的效能和能耗比。
3nm GAA技術上，三星能夠調整奈米電晶體的通道寬度，最佳化功耗和效能，從而能夠滿足客戶的多元需求。
利用3nm GAA技術，三星將能夠調整奈米片的通道寬度，以最佳化功耗和效能，以滿足各種客戶需求。
搶先登陸並不保證競爭優勢
三星此次搶先一步量產3nm晶片，並不意味著三星在與臺積電競爭中佔據了先機。
雖然三星採用市場現有方案，可以做到3nm GAA技術量產，但關鍵是成本會增加、交期會拉長、良率提升速度慢、品質不見得好。
三星仍未實際接獲3nm訂單，宣傳意義應大於實質意義。
實際上這場競爭也沒有絕對的輸贏之分，因為絕大部分晶圓代工廠商已經完全告別了先進製程的競賽。
這使得諸多客戶只能在臺積電和三星之間進行［非此即彼］的選擇，而臺積電一家的產能，也難以維持龐大的先進製程市場。
因此，哪怕三星的晶片有再次陷入效能滑鐵盧的風險，也依舊會有大批次的廠商願意去試錯。
結尾
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此前，三星電子7nm和5nm製程產品均出現良率和功耗問題，使高通等頭部客戶轉投臺積電。近幾個月來，三星電子的良率情況曝光和代工業務高管人事調整不斷。
但本次三星電子能夠如期完成3nm製程的量產，或有助於恢復下游客戶的信心。其基於GAA電晶體的3nm製程也正式開啟了新的電晶體時代。
未來，臺積電、三星、英特爾等先進製程玩家的競爭仍將繼續，這場逼近物理極限的戰爭“硝煙”正濃。
部分資料參考：中國電子報：《三星3nm晶片搶先量產，臺積電輸了麼？》，芯智訊：《三星3nm量產！真領先臺積電，還是趕鴨子上架？》，電子工程世界：《揭秘三星3nm GAA 技術》
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