转载来源：深科技 《台积电传》19｜台积电为什么敢押注“纳米片”？——从FinFET到GAA：2纳米时代，台积电如何重新设计晶体管？ http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIxODI2NTY4OQ==&mid=2247547869&idx=1&sn=c81073b9d83f9785207f5a864fc67e79&scene=45#wechat_redirect

深科技（deeptek）《台积电传》持续连载中

《台积电传 01》 — 序言：台积电从何而来？

《台积电传 02》 — 张忠谋到底是怎样想出“晶圆代工”这件事的？

《台积电传 03》｜台积电凭什么活下来？——没有自己的芯片，它靠什么赚钱？

《台积电传 04》｜台积电为什么能把制程做到世界第一？——从1.5微米到5纳米：一场持续30多年的“技术军备竞赛”

《台积电传》05｜为什么苹果、英伟达都离不开台积电？——一座晶圆厂，如何变成全球芯片公司的“共同底座”？

《台积电传》06｜台积电为什么敢把工厂建到美国？——从“商业选择”到“国家战略”：一家晶圆厂，为什么突然成为世界争夺的对象？

《台积电传》07｜台积电把最先进的技术带出台湾之后，还剩下什么？

《台积电传》08｜2纳米之后，台积电还能领先多久？——当FinFET走到极限，GAA、纳米片与18A同时登场，台积电真正的对手是谁？

《台积电传》09｜台积电为什么越来越依赖先进封装？——当晶体管越来越小，台积电为什么开始把战争搬到晶圆之外？

《台积电传》10｜台积电为什么要把工厂建到日本和欧洲？——当一座晶圆厂开始改变一个国家的产业版图，台积电全球化真正想得到什么？

《台积电传》19｜台积电为什么敢押注“纳米片”？

——从FinFET到GAA：2纳米时代，台积电如何重新设计晶体管？

如果说过去十多年，台积电成功的核心来自于对FinFET技术路线的极致优化，那么进入2纳米时代之后，台积电面对的将是一场更加深刻的技术变革。

因为从这里开始，半导体产业第一次真正意义上迎来了晶体管结构的大改变。

过去：

芯片性能提升，主要依靠晶体管尺寸不断缩小。

晶体管越小，同样面积可以容纳更多晶体管，芯片计算能力不断增强。

这套逻辑支撑了整个半导体产业的发展，也推动了智能手机、云计算、人工智能、高性能计算等产业快速成长。

但是，当制程进入3纳米之后，传统FinFET结构开始逐渐接近自身极限。

继续缩小晶体管，并不像过去那样简单。

晶体管越来越小，意味着制造难度越来越高，漏电问题越来越严重，功耗控制越来越困难。

于是，一个新的问题摆在整个产业面前：

如果继续沿用过去的方法，未来芯片性能还能提升多少？

答案越来越清晰：

下一代芯片制造不能只是继续缩小晶体管。

而必须重新设计晶体管。

这就是2纳米时代真正开始的原因。

从这里开始，半导体竞争进入了一个新的阶段：

从“尺寸战争”，进入“结构战争”。

而台积电选择押注的关键技术，就是：

纳米片。

第一部分｜2纳米为什么成为先进制程新的分水岭？

在半导体产业中，每一次制程节点变化，都会带来一次产业格局重新洗牌。

28纳米时代，台积电建立了成熟制程商业基础。

7纳米时代，台积电进入先进制造核心。

5纳米时代，台积电证明自己能够把先进制程规模化。

3纳米时代，台积电证明FinFET仍然拥有继续发展的空间。

但是到了2纳米，游戏规则发生变化。

因为2纳米最大的意义，并不是数字从“3”变成“2”。

真正重要的是：

晶体管结构开始改变。

过去十多年，先进逻辑芯片制造主要依靠FinFET。

虽然不同公司在材料、工艺、设计规则方面不断优化，但晶体管基本结构没有发生根本变化。

而进入2纳米之后，产业开始从FinFET进入GAA时代。

GAA，全称Gate-All-Around，也就是环绕栅极晶体管。

它代表的是一种全新的晶体管设计思想。

简单来说：

过去FinFET解决的是“如何让栅极更好控制晶体管”。

而GAA进一步解决的是：

“如何让栅极完全控制晶体管”。

这看似只是结构上的变化，但背后影响巨大。

因为晶体管是芯片最基本的组成单元。

晶体管结构改变，就意味着整个芯片设计方式、制造流程、生产成本以及客户生态都需要重新调整。

因此：

2纳米不是一次普通制程升级。

而是一次晶体管革命。

第二部分｜为什么晶体管越来越难缩小？

要理解为什么需要纳米片，首先必须理解半导体制造为什么越来越困难。

晶体管本质上是一个电子开关。

它通过控制电流的流动，实现“开启”和“关闭”。

数十亿甚至数千亿个晶体管组合起来，就形成今天复杂的芯片。

过去几十年，半导体产业不断推动晶体管缩小。

原因非常简单：

更小的晶体管意味着更高的集成度。

同样面积的芯片，可以放入更多晶体管。

更多晶体管意味着：

更强计算能力。

更高性能。

更丰富功能。

但是，当晶体管进入纳米尺度之后，问题开始出现。

因为电子并不是完全听从工程师控制的。

当结构越来越小时，一些物理效应开始变得明显。

其中最重要的问题之一，就是漏电。

理想情况下：

晶体管关闭时，电流应该完全停止。

但现实中：

晶体管越小，电子越容易出现非理想行为。

关闭状态下仍然存在少量电流。

这就是漏电。

漏电虽然看似微小，但当芯片拥有几十亿晶体管时，累积起来就会形成巨大功耗。

这也是为什么现代芯片越来越关注：

性能提升。

功耗降低。

发热控制。

之间的平衡。

而FinFET，就是过去解决这个问题的重要技术。

第三部分｜FinFET：台积电先进制程时代的核心技术

在FinFET出现之前，半导体产业长期使用平面晶体管。

平面晶体管结构简单。

但是随着尺寸不断缩小，它的问题越来越明显。

最大的问题是：

栅极控制能力下降。

晶体管越来越小以后，栅极距离源极和漏极越来越近，控制电流的能力逐渐降低。

于是工程师提出：

为什么不改变晶体管形态？

如果二维平面控制困难，那么就变成立体结构。

这就是FinFET。

FinFET最大的变化，是把传统平面的沟道变成类似“鳍片”的三维结构。

栅极不再只从一个方向控制沟道，而是从多个方向包围沟道。

这样可以增强控制能力。

这项技术改变了整个产业。

台积电也正是在FinFET时代逐渐建立先进制造优势。

16纳米。

10纳米。

7纳米。

5纳米。

甚至3纳米。

都建立在FinFET技术基础上。

可以说：

没有FinFET，就没有今天的先进制程竞争格局。

但是，FinFET虽然伟大，也有自己的限制。

因为它本质上仍然是一种“不完全环绕”的结构。

栅极可以控制三个方向。

但无法完全包围整个沟道。

当尺寸进一步缩小到2纳米级别时，这种结构限制开始越来越明显。

于是：

新的晶体管结构必须出现。

第四部分｜GAA到底是什么？为什么它改变未来十年芯片制造？

GAA，也就是环绕栅极晶体管，是下一代晶体管的重要方向。

它最大的特点：

让栅极完全包围沟道。

如果把FinFET比喻成三面围墙。

那么GAA就是四面围墙。

它的目标非常明确：

进一步增强栅极控制能力。

降低漏电。

提升性能。

改善功耗。

这也是为什么三星、台积电、英特尔都把GAA视为未来重要技术路线。

但是，GAA并不是一个具体产品。

它是一种技术方向。

真正制造GAA时，还存在不同结构选择。

其中最重要的两个方向：

纳米线。

纳米片。

两者都属于GAA。

但制造难度和性能表现存在差异。

而台积电最终选择的，就是：

纳米片。

继续《台积电传》第19章。

第五部分｜什么是纳米片？为什么它成为2纳米时代的关键技术？

在进入2纳米时代之前，很多人听到“纳米片”这个词，可能会产生一个误解。

是不是就是把晶体管里面的材料做成一片很小的薄片？

实际上，纳米片背后的意义远比名字复杂。

它代表的是晶体管结构的一次重新设计。

要理解纳米片，首先需要回到晶体管最核心的部分：

沟道。

晶体管之所以能够工作，是因为电流需要通过一个非常微小的通道流动。

这个通道，就是沟道。

过去平面晶体管时代，沟道位于二维平面上。

FinFET时代，沟道被立起来，形成一个类似鳍片的三维结构。

而到了GAA时代，沟道进一步变成水平排列的纳米结构。

其中一种重要形式，就是纳米片。

简单理解：

纳米片就是一种非常薄、非常宽的水平沟道结构。

它不像传统FinFET那样是一根竖起来的“鳍”。

也不像纳米线那样是一根非常细的“线”。

它更像是一层层堆叠起来的超薄电子通道。

这些纳米片被栅极完全包围。

因此：

栅极可以从上方、下方以及两侧同时控制电流。

这就是GAA结构最大的优势。

如果用一个更加直观的比喻：

传统平面晶体管：

像是在地面上的一条小路，旁边只有一个管理员控制车辆通行。

FinFET：

像把道路竖起来，管理员可以从三个方向管理。

而纳米片GAA：

像把道路完全包围起来，管理员可以从四面八方控制交通。

这样做的结果，就是晶体管拥有更强的控制能力。

电子什么时候通过。

通过多少。

速度多快。

都可以更加精准地控制。

这对于2纳米时代非常重要。

因为当晶体管越来越小时，最大的挑战已经不是“能不能制造出来”。

而是：

能不能精准控制电子行为。

第六部分｜为什么台积电选择纳米片，而不是纳米线？

GAA并不是只有一种答案。

在GAA内部，产业曾经讨论过多个方向。

其中最典型的就是：

纳米线。

纳米片。

纳米线是更加传统的GAA思路。

它把沟道做成非常细的线状结构，然后让栅极完全包围。

这种结构最大的优势是：

控制能力非常强。

因为沟道尺寸非常小，栅极可以更加精确地控制电子。

但是，它也存在一个明显问题：

电流能力不足。

对于一些低功耗芯片来说，这可能不是问题。

但对于高性能计算芯片来说，问题就很明显。

今天的芯片竞争，越来越依赖高性能。

手机处理器需要更强AI能力。

GPU需要更高计算吞吐。

数据中心芯片需要更强算力。

自动驾驶芯片需要更高实时处理能力。

这些应用都需要晶体管能够提供更大的电流驱动能力。

而纳米片相比纳米线，一个重要优势就是：

沟道面积更大。

电流通过能力更强。

因此，纳米片成为先进逻辑芯片更加现实的选择。

简单来说：

纳米线追求的是：

极致控制。

纳米片追求的是：

控制能力和性能之间的平衡。

而晶圆代工企业最关心的，就是平衡。

因为半导体制造不是科研竞赛。

不是某个指标做到最高就赢。

真正的先进制造必须同时满足：

性能提升。

功耗降低。

制造可行。

成本可控。

良率稳定。

客户接受。

这也是台积电选择纳米片的重要原因。

第七部分｜纳米片最大的价值：让晶体管进入“可调时代”

纳米片还有一个非常重要的优势。

那就是：

可调节性。

传统晶体管结构中，设计空间相对有限。

但是纳米片结构提供了更多调整空间。

工程师可以通过改变纳米片宽度、厚度以及堆叠方式，调整晶体管性能。

例如：

高性能计算芯片，需要更强电流能力。

可以采用更宽的纳米片。

移动设备芯片，需要更低功耗。

可以采用不同参数设计。

这意味着：

未来先进制程不再只是简单追求“更小”。

而是进入更加精细化的设计阶段。

芯片公司可以根据不同产品需求，选择不同晶体管参数。

同一个2纳米平台，可以服务：

手机芯片。

服务器CPU。

AI加速器。

网络芯片。

汽车芯片。

这对于晶圆代工企业非常重要。

因为台积电的商业模式，本质上就是：

为不同客户提供统一制造平台。

如果一个先进节点只能服务少数产品，那么商业价值有限。

但如果一个节点能够覆盖大量市场，那么价值会被极大放大。

这也是为什么纳米片路线对于台积电意义重大。

它不仅是一项技术。

更是一个平台。

第八部分｜三星为什么更早进入GAA？台积电为什么选择不同路线？

在2纳米竞争中，三星采取了更加激进的策略。

它希望通过GAA提前改变竞争格局。

三星非常清楚：

在FinFET时代，台积电已经建立了巨大优势。

先进客户生态。

长期量产经验。

稳定良率。

供应链体系。

这些优势不是短时间能够复制的。

因此，如果继续沿着FinFET路线竞争，三星很难快速改变局面。

那么怎么办？

寻找新的技术窗口。

GAA就是这样的机会。

如果下一代晶体管结构发生变化，那么过去积累的优势可能被重新洗牌。

这就是三星选择更早推进GAA的原因。

从战略角度看，这是一种非常典型的进攻方式：

通过技术跃迁，寻找重新竞争的机会。

但是，技术路线选择并不是简单的“谁更先进”。

因为半导体产业最终看的是商业结果。

一项技术需要经历：

实验验证。

工程优化。

试生产。

量产。

客户导入。

大规模应用。

每一步都存在巨大挑战。

尤其是GAA。

因为晶体管结构改变之后，整个制造流程都会发生变化。

材料。

设备。

工艺参数。

设计规则。

EDA支持。

都需要重新调整。

所以：

率先采用新技术，并不一定意味着最终成功。

而台积电选择的路线更加符合它过去三十年的战略。

台积电一直强调：

先进，但可靠。

创新，但可量产。

它不会只关注技术指标。

它更关注：

客户什么时候真正需要。

产业链是否成熟。

制造是否稳定。

投资是否能够产生商业回报。

这也是为什么台积电没有简单复制三星路线。

它等待的是：

最适合商业化的时间点。

第九部分｜2纳米真正的竞争：谁能把纳米片变成商业能力？

进入2纳米时代之后，很多人会关注：

谁的晶体管结构更先进？

谁的参数更漂亮？

但对于晶圆代工企业而言，真正的战争其实发生在工厂里。

因为先进制程最大的挑战，从来不是设计。

而是制造。

实验室制造一颗晶体管。

和每天生产数百万颗稳定芯片。

完全是两回事。

纳米片结构虽然拥有巨大潜力。

但它也带来了新的制造挑战。

首先：

结构更加复杂。

过去FinFET是一根鳍片。

现在纳米片需要精确控制多层水平结构。

任何微小误差，都可能影响性能。

其次：

工艺窗口更加狭窄。

先进制程越往前推进，制造容错空间越小。

设备参数必须更加精准。

材料控制必须更加严格。

再次：

客户设计迁移更加复杂。

芯片设计公司需要重新适配新的晶体管特性。

EDA工具需要支持新的设计规则。

IP供应商需要重新验证。

因此：

2纳米不是台积电一个工艺部门的问题。

而是一整个产业生态的问题。

第十部分｜纳米片之后，台积电还能保持领先吗？

从历史来看，台积电最大的竞争优势，从来不是某一个技术。

而是一种持续领先能力。

28纳米时代：

台积电证明自己能够服务大量客户。

7纳米时代：

台积电证明自己能够进入最先进制造。

5纳米时代：

台积电证明自己能够把先进制程规模化。

3纳米时代：

台积电证明FinFET仍然能够继续创造价值。

而2纳米时代：

台积电需要证明：

自己能够完成晶体管结构革命。

纳米片，就是这场革命的重要答案。

但真正的问题仍然存在：

未来先进制造会越来越复杂。

晶体管结构变化。

供电方式变化。

封装方式变化。

材料体系变化。

计算需求变化。

单纯依靠缩小晶体管已经越来越困难。

未来芯片性能提升，需要整个半导体系统共同进化。

这意味着：

台积电未来面对的竞争，不只是三星和英特尔。

而是整个产业链的重新组合。

结语｜纳米片不是一次技术升级，而是台积电下一阶段的选择

回看半导体历史，每一次重大技术变化，都会重新定义产业格局。

平面晶体管改变了早期芯片产业。

FinFET推动了智能手机和移动计算时代。

而GAA纳米片，将开启下一代先进计算时代。

台积电选择纳米片，并不是因为它只是一个更先进的结构。

更重要的是：

它符合台积电过去三十年的核心逻辑。

把复杂技术变成稳定制造。

把实验室创新变成商业产品。

把单点技术变成全球生态。

这也是为什么2纳米如此重要。

它不仅代表一个新的制程节点。

更代表台积电能否继续延续自己的制造哲学。

未来十年，三星会继续挑战。

英特尔会重新进入竞争。

全球各国也会争夺先进制造能力。

但最终决定胜负的，不只是：

谁最早提出新技术。

而是谁能够：

把新技术真正交付给世界。

而这，正是台积电过去三十多年最强大的能力。

《台积电传》20｜N2、N2P、A16：台积电2纳米之后的三条路线

下一章，我们将继续深入台积电2纳米时代的技术路线。

从N2到N2P，再到A16，台积电正在重新规划未来先进制造路线。

为什么2纳米之后还有N2P？

为什么A16不是简单的1.6纳米？

为什么背面供电可能成为下一场战争核心？

而台积电如何通过连续升级，继续保持先进制程优势？

下一章，我们进入：

台积电未来十年的制程路线图。

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