GAA技术到底是怎么一回事？
日前，高通在2022年的骁龙峰会上发布了骁龙8 Gen2平台，这一代CPU、GPU、AI等架构大幅升级，与此同时，高通也确认会继续使用三星的晶圆代工服务，而且他们最快会在两年上使用三星的GAA工艺，虽然没有明确表态，但高通的态度印证了也许将来会使用三星的3nm GAA工艺。那么所谓的GAA工艺又是什么呢？
GAA是Gate-All-Around的缩写，GAA即环绕式栅极工艺，该技术通过降低工作电压水平来提高能耗比，同时通过增加驱动电流增强芯片性能，从而突破FinFET（鳍式场效应晶体管）技术的性能限制。
就在今年6月末，三星宣布，其位于韩国的华城工厂开始生产3nm芯片，采用全新GAA架构晶体管技术。三星表示，与原来采用FinFET的5nm工艺相比，初代3nm GAA制程节点在功耗、性能和面积（PPA）方面有不同程度的改进，其面积减少了16%、性能提高23%、功耗降低45%。到了第二代3nm芯片，面积减少了35%、性能提高30%、功耗降低50%。
GAAFET和FinFET
2014年是芯片制程的一个关键节点，Intel率先迈入了14nm工艺节点，可之后5年，Intel却一直在14nm节点停滞不前，只搞出14nm+、14nm++这样的工艺，迟迟无法突破到10nm。正常来说芯片制程工艺其实是指栅极的宽度，它的宽度为14nm，就表明这个芯片的制程为14nm，它的宽度为5nm，那么这个芯片的制程就是5nm。当栅极的宽度越窄，晶体管也就能够做得越小，晶体管越小，单位面积就能放下更多晶体管，芯片的性能就越强。
可是栅极宽度并不能做得无限窄，因为栅极变窄的同时，源极和漏极的距离也在变近，当距离近到一定程度时，就会发生彼此漏电的问题。当栅极宽度小于20nm的时候，漏电率就会急剧增加，这也是Intel迟迟无法继续突破的原因，传统的平面结构无法满足继续向下突破的需求。
这时候也就出现了我们的第一个关键技术FinFET，它的解决思路就是改造晶体管的结构，将源极和漏极做成像鳍片一样直立的样子，然后让栅极三面包围住鳍片，由于这种鳍片结构是立体的形态，所以也叫做 3D FinFET。这样的结构，栅极的宽度并没有改变，只是通过增加长度，来增加接触面积，进而提升对电流的控制。从原来的一个接触面，到现在的三个，这样哪怕栅极宽度在进一步缩小依然可以保持稳定的性能。
3D FinFET 技术凭借着优良的性能，一路伴随着半导体产业发展，走到今天的7nm、5nm时代。可是FinFET虽然可以改善电路控制并减少漏电流，缩短晶体管的栅极宽度，但是当栅极宽度进一步缩小，源极和漏极的距离还是会编近，栅极下方的氧化物也越薄，依旧会产生漏电，造成严重的发热问题。加之随着工艺微缩，单个晶体管上的鳍片数量变少，鳍片高度增加，到一定高度后，鳍片就很难在内部应力作用下保持直立了，FinFET 结构也就很难形成了。
我们今天的主角GAA技术也就登场了，GAAFET相当于3D FinFET的改良版，这项技术的晶体管栅极和漏极不再是鳍片的形态，而是变成了一根根 “小棍子”，垂直穿过栅极，这样，栅极就能实现对源极、漏极的四面包裹。相比之下，GAA可以实现四边充当电流通道，而FinFET则只有三边。GAA的这种设计可以解决原来鳍片间距缩小的问题，并且在很大程度上解决栅极间距缩小后带来问题，例如电容效应等，可以提供更佳的性能和更低的次临界摆幅。从技术迭代的角度来看，三星使用的这种GAA是更先进的技术，也是向5nm以下制程突破的关键技术。
晶体管结构变化 (数据源：Samsung Electronics)
不过，目前的GAA技术还不成熟，三星使用GAA技术制造的3nm芯片良品率徘徊在10%到20%之间，PPA也远不及预期。据Digitimes统计，三星3nm工艺的晶体管密度大约为170 MTr/m㎡（百万晶体管每平方毫米），与台积电5nm的晶体管密度173 MTr/m㎡差不多，这也许是为什么高通没有在这一代选择三星的技术的原因之一。
相较于三星的激进，台积电就显得保守很多了，他们明确的表示3nm节点上将会继续打磨FinFET技术，据相关人士预测，台积电可能要到2nm节点上才会采用GAA技术。当然了GAAFET本身的工艺制造难度就不低，即使是三星、台积电和Intel这些对FinFET技术非常熟悉的巨头，也需要进一步的打磨才能实现顺利的技术过渡。
责编：Ricardo
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