GAA：晶圆时代3nm~2nm制程的最后挣扎

GAA全称：Gate-All-Around，即环绕式栅极技术。

这项技术的诞生，旨在解决5nm以下*制程面临的一系列极端难题。传统FinFET工艺*在7nm制程以下，很难解决材料极限、漏电以及物理结构搭建等难题。业界倾向采用GAA技术作为下一阶段芯片制造工艺的解决方案。

*5nm以下节点有可能步进于：3nm、2nm、1.5nm等阶段；

*FinFET即Fin Field-Effect Transistor，鳍式场效应晶体管（22nm~5nm）。

FinFET鳍式场效应晶体管结构示意图（右）

众所周知，Intel当前使用的芯片制程仍以14nm为主，此制程的栅极距是70nm；而Intel新款10nm工艺下的栅极距则是54nm，然而，理论上业界公认的FinFET工艺栅极距上限仅有42nm，现有的10nm、7nm、5nm（7nm改良版）制程，已接近FinFET的工艺极限。

而在下一阶段（最快2023年后），芯片制程达到5nm以下时，栅极距将继续下探，届时，FinFET工艺完全失效。

2DPL、3DFinFET、3D+GGA制造工艺结构对比

从上面这张结构示意图可以看出，GGA对比FinFET的核心区别，就是这几条“Stack of lateral

nanowires”。采用多个条状（线状、棍状）源极和漏极横向垂直于栅极分布，实现MOSFET*的结构功能，并大幅减少降低栅极距后面临的一系列问题。

注*：MOSFET：金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）

因此，业界对GAA技术的实践与验证进入了不得已而为之的阶段。为何这么说？往下看。

3nm、2nm节点存续周期、研发量产成本严重脱节

根据调研机构IBS的数据显示，从65nm到5nm不同制造工艺设计研发成本如下：

制程节点的每一次迭代，对芯片巨头来说都是一次“大出血”

• 65nm：2400万美元；
• 45/40nm：3900万美元；
• 28nm：6290万美元；
• 20nm：1.04亿美元；
• 16/14nm：1.78亿美元；
• 10nm：2.82亿美元；
• 7nm：3.49亿美元；
• 5nm：4.76亿美元。

*注：仅为设计研发成本，不包含光刻机、原材料、生产成本。

也许很多人会表示疑惑，对于像Intel、三星、台积电这样的芯片制造工艺巨头来说，区区几亿美元的“小钱”，算个啥？确实，这点钱对于这些行业巨头，甚至对于本土企业来说都只是“小钱”。但是，材料极限、制程极限、技术极限仍是根本瓶颈。换句话说，这是一场“巧妇难为无米之炊”的游戏。

制程迭代的投入研发自7nm之后，便以进入成本代谢欠佳的阶段。高昂的经费、人力、时间投入，换回来的第一件事就是——购置最新的生产设备（每台价值不低于1亿美元，完整的产品生产线约5~12套），还要加上相应的工厂基建、人员培训、薪资成本、设备维护及折旧... ...一代制程至少需要约25~30亿美元的前期投入，才能进入生产阶段。

台积电的南京工厂（16~40nm非高级工艺）初期投入近200亿元人民币

另外，以台积电为例。即将于2020年进入量产阶段的5nm制程，依然是基于7nm FinFET工艺改良而来，生产设备基本维持前代标准不变。也就是说，进入3nm之后，研发成本、设备更新等等这笔账目，又要重新来过一遍了。

但是！

大家不妨回忆一下，自上一轮FinFET技术将平价的22nm产品送入寻常百姓家之后，14nm、7nm的更新换代有多快？

除了Intel闭关锁国坚守14nm多年以来，重要节点的制造工艺存续时间往往不超过4年，而且随着移动端多核晶片的迭代加速，制造工艺换代速度不断加快。以AMD的7nm锐龙处理器为例，不到一年时间，7nm的改良版7nm+（EUV）就已登场。而随后的5nm制程，也将在2020年推出成品（下图）。

台积电的5nm产品2020年量产，改良版5nm+的订单也已排到2021年

从这种意义上讲，即便是行业花费大量财力物力人力，借GAA技术“突破5nm次元”，再其后的3nm、2nm两代关键节点上能够存续多久？投入回报比又是多少？几乎成为一道送命题。

举个通俗易懂的例子：你打算装一台电脑，使用Z390芯片组加i9处理器，而2020年即将上市的Intel Comet-Lake S桌面处理器，要替换为LGA1200接口的主板，你说你这块一千多元的Z390主板买的揪心不？

同样的，3nm、2nm制程的产品生命周期，如果参照于7nm、5nm的历史，恐怕也不会太长。毕竟，1nm之后的芯片历程将有望完全改写，碳基底材代替硅基底材之后，现有的IC制程经验恐怕面临重写。与其花8~10亿美元投入GAA技术用个三四年，还真不如一步到位把碳纳米管搞点成绩出来，更符合经济效益。

GAA尚未定论，美国急于封锁意欲何为？

简而言之：预防针+犬吠示威。

各主要芯片制造业巨头，目前并未确定GAA技术为3nm之后的唯一选择。虽然三星、Intel乃至IBM、格罗方德都曾展示过各自的GAA类方案，但都未明确声明这些方案将用于未来的量产阶段。

IBM采用GAA技术制造的的5nm实验品，采用三个扁条状纳米线

回到标题谈到的美国GAA技术封锁问题。

项庄舞剑，意在沛公

虽然美国的西方盟友们，对中国的5G技术输出表态不一，但这一来自东方的科技威慑，对传统的美国科技霸权已造成了穿透伤害。5nm制程是今后一段时间5G芯片重要的工艺选择，而5G之后的下一代通讯技术，势必对芯片性能、制造工艺提出新的要求。美国提前对GAA技术展开封锁，目的无外乎对中国下一代通讯技术所需的芯片制造方案，套上“紧箍咒”。

麒麟990处理器采用7nm制程，而后续麒麟1020系列则采用5nm工艺打造

从目前的行业刚需方面来看，国内对于顶级芯片制程需求较为迫切的企业，主要以麒麟系列CPU为主。而全行业其他各门类产品的制程需求，依然集中在12~28nm这一区间，且仍处投产初期和利润转化阶段。

未来3~4年内国内主要IC厂商（如中芯、华虹），能够消化吸收目前7nm~12nm的新工艺技术，就算不亏。反正台积电当前的5nm产能是有麒麟一份的，而这一制程的生命周期乐观预计会持续到2024年之前。

综上所述，未来这4年的路还很长，技术层面出现革新、突破也未尝不可，国际局面也不可能一成不变这么僵持下去。美方希望靠一纸GAA技术封锁，就断了中国芯片行业发展的想法，能理解，然并卵。

本文旨在释明美方行为的意图及影响，深度技术分析方面，读者们可参考文末“了解更多”链接，查询eeworld制作的专项解读。

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