隨着製造工藝的推進,5nm工藝節點已經在2020年實現量產,並在蘋果A14 Boinic、高通驍龍888等移動平台上率先應用。在往下就是4nm、3nm工藝節點,按照目前台積電的規劃,4nm工藝將會是5nm的升級版本,3nm會是全新的工藝,但台積電方面並沒有透露過多關於3nm節點的細節。
作為對比,三星半導體在此前就不遺餘力的宣傳柵極全向場效應晶體管(GAAFET),並計劃在3nm的節點上率先應用。如果順利的話,三星將會成為業界最早應用柵極全向場效應晶體管(GAAFET)類結構的半導體制造商。
在IEEE國際固態電路會議(ISSCC)上,三星晶圓廠的工程師分享即將推出的3納米GAE MBCFET(多橋通道FET)製造技術的一些細節。柵極全向場效應晶體管目前有兩種類型,典型的GAAFET稱為納米線,結構特點是"薄"鰭,第二種MBCFET則對應 "厚"鰭的納米片,柵極材料都圍繞着溝道區域的四面。
納米線和納米片的實現很大程度上取決於設計,行業觀察家一般用GAAFET來描述兩者,此前被稱為環繞柵極晶體管(SGT),MBCFET是三星的商標。
第一款GAAFET曾在1988年演示過,也讓更多人知道GAAFET技術的主要優勢。GAAFET晶體管的結構允許設計者通過調整晶體管溝道的寬度(稱“有效寬度”或“Weff”),精確地調整實現高性能或低功耗。較寬的片可以在較高的功率下實現更高的性能,較薄/較窄的片則可以降低功耗和性能。另外,調整GAAFET還可以提高晶體管密度,讓晶體管擁有更廣泛的用途。三星在2019年的3GAE工藝設計套件0.1版本中,就包含四種不同的納米片寬度,為早期設計者提供更高的靈活性,但目前不清楚三星是否增加更多的寬度,以增加設計的靈活性。
性能方面,與7LPP技術相比,三星3GAE節點將實現相同功率、相同複雜性下,提升30%的性能;在相同頻率和複雜性能夠降低50%的功耗;此外,3GAE還能帶來高達80%的邏輯和SRAM晶體管混合晶體管的密度。
SRAM的可擴展性在近些年落後於邏輯單元,但現代系統級芯片在各種緩存中大量使用SRAM,提高可擴展性是一項至關重要的任務。三星在ISSCC上討論如何利用其新型晶體管提高SRAM性能和可擴展性。三星半導體介紹了256Mb MBCFET SRAM芯片,裸片尺寸56mm2。雖然三星沒有公佈第一款3GAE邏輯芯片,但MBCFET技術對SRAM是有效的。
SRAM是一個六晶體管存儲器單元:兩個通門、兩個上拉和兩個下拉。FinFET設計中的SRAM單元使用相同通道寬度的晶體管。三星為了在MBCFET上實現可調整通道寬度,提出兩種方案:第一種方案是使用通道較寬的晶體管做通門和下拉;另一種方案是使用通道較寬的晶體管做通門,使用通道較窄的晶體管做下拉。IEEES報道稱,三星通過使用通道較寬的晶體管做通門,使用通道較窄的晶體管做上拉,三星成功地將寫入電壓比普通SRAM單元降低230mV。
三星電子副總裁Taejoong Song在IEEE國際固態電路會議上發表演講,會上概述納米片晶體管的關鍵優勢:"使用FinFET晶體管已有十年之久,在到達3納米時將使用柵極全能晶體管,展望未來、團隊相信,Nanosheet結構晶體管將會是一個成功的設計,因為它們提供“高速度、低功耗和小面積”。
與FinFET晶體管相比,新型晶體管擁有設計靈活(調整晶體管通道的“有效寬度”或“Weff”方面)、更具潛力的SRAM IC(降低切換電池狀態所需的最低電壓)、更高性能晶體管(較小的面積內消耗較少的功率)等優勢。預計未來幾年,FinFET晶體管設計將讓位於堆疊式納米片晶體管。