闲得无聊，说说什么是 GAA

最近有个新闻是美国禁止向中国出口 GAA 技术。闲得无聊，科普一下什么是 GAA，以及 GAA 为什么重要。我并不是芯片工艺方面的专家，就用大家能听得懂的大白话，尽可能通俗的讲一讲，不保证准确。

这要先从芯片制造的最基本单元场效应管说起。你可以想象任何的芯片都是由一堆电子开关和它们之间的连线组成的。这个电子开关就是场效应管（FET）。你可以把场效应管想象成一个开关：

这个开关的两极一头叫源极（Source），另一头叫漏极（Drain）。源极和漏极都是在上图示意为蓝色的硅片（晶圆）上通过光刻“挖”出一个坑来，然后在坑里填上红色的其他化学元素形成的半导体。二者之间的部分就是栅极（Gate），栅极由覆盖在晶圆上的一层氧化物（黄色）和它上面的金属（灰色）部分组成。栅极相当于开关的扳手，通过控制栅极电压，可以控制电流能否从源极流向漏极。这个场效应管的通断就构成了 0 和 1。再复杂的电路都是由这样一个个开关组成的。

所谓多少多少纳米的制程，就是那两个小坑之间的距离能隔多近。制程越高，纳米数越小，两个小坑就能隔得越近，同样的面积下能放下的场效应管就越多，能实现的逻辑就越复杂。

但是问题来了，制程越高，两个小坑之间的距离就会越近（栅极越窄），电子就越容易从中间“漏”过去，通俗的讲，就是这个开关越不容易“关严实”，用这种不容易“关严实” 的开关制造的芯片，电路的可靠性就容易出问题。栅极窄还会带来其他不好的影响，这里就不说了。总的来说，这个开关的可靠性是和栅极的面积呈正相关的。栅极面积越大，开关的可靠性越强。随着制程越来越高，栅极面积不可避免的缩小，做出一个可靠的开关越来越难了。当制程达到 25 纳米左右的时候，已经几乎不可能可靠的做出这样的开关来，芯片工艺达到了一个瓶颈。

加州大学伯克利分校的胡正明教授发明了一个新的场效应管结构，突破了这一难题。这就是鳍式场效应管（FinFET）。

FinFET的想法说来也简单：不是栅极不能太窄么，那我把它“竖起来”吧：

上图中竖起来的那个灰色的薄片是FinFET 的源极和漏极，“跨”在上面的紫色方块是栅极。在原先的平面结构里，栅极只有一面和源极/漏极接触。在FinFET结构中，由于把源极和漏极“竖”起来，栅极有三个面和它们接触，增加了接触面积。这样即使栅极很窄，它的总接触面积仍然足够大，从而保证了栅极能够可靠的控制电流的方向。通过这个方法，英特尔在2012年正式推出了22纳米FinFET技术的芯片。而三星和台积电是在几年之后在16纳米和14纳米制程上使用了FinFET。此后一直到现在的5纳米/4纳米制程，所有的芯片制造商都是使用 FinFET 来造芯片的。

所以 FinFET 是一个芯片技术的根本改变，而不是简单的改良。没有FinFET技术，芯片制程就无法突破20纳米左右的瓶颈，摩尔定律就无法延续。

但是，FinFET 的续命是有限的。当制程达到3纳米/2纳米左右的时候，FinFET 技术也很难保证栅极的可靠了。随着制程的提高，源极/漏极的那个鳍片越来越薄越来越短，栅极的接触面积也变得越来越小。要维持可靠的栅极面积，鳍片就必须变高。而鳍片变高以后力学性能就会变差，通俗的讲就是变软变脆了，所以鳍片不可能无限的高下去。到3纳米左右的时候，即使是最高的鳍片也无法满足栅极可靠性的要求，这就再次要求改变晶体管的结构，否则制程将再次无法延续。

于是 GAA 出现了。

GAA 不是个新技术。它是1990年左右一位比利时的科学家发明的。但是它的结构太复杂了，当时的工艺条件实现不了，也没有必要，所以就一直停留在纸面上。当 FinFET 的潜力即将耗尽的时候，大家重新想起了 GAA。GAA 的想法和FinFET类似：既然鳍片式的栅极三面接触面积还不够，那索性把源极和漏极变成悬空的，让它四面都能接触栅极：

现在大家提出的GAA结构有两种。左面的是把源极和漏极做成若干根小棍，用栅极去包围这些小棍，这样每一根小棍都有四个面接触栅极，三根小棍加起来就有十二个面接触，可以保证在栅极进一步变窄的情况下仍然有足够的接触面积。台积电和英特尔正在研究的是这种结构。右面是三星已经试产成功的结构，三星给它起了个名字叫MBCFET，是把源极和漏极做成若干薄片，同样可以保证增加数倍的栅极接触面积。

可以看出，GAA 的制造难度要比FinFET大得多，因为源极和漏极要“镂空”出来。具体是怎么做到的，我也不清楚。这也是为什么GAA技术如此尖端和重要的原因。三星从3纳米开始就引入了GAA 技术，而台积电要到2纳米才使用。

GAA 是目前唯一有希望取代 FinFET 继续延续半导体制程提升的技术，所以它也是一个根本性的技术，不是什么工艺改良。没有 GAA，2纳米是做不出来的。

至于美国封锁GAA技术会对中国造成什么影响，我想我们还没到需要担心这个的那一步。中国的半导体技术还在7纳米的门槛上，极紫外光（EUV）技术还没攻克。GAA 要到3纳米以下的时候才需要担心。给中国的企业和科技人员一些时间和机会，一步一步的改进和成熟，GAA 应该也是能够掌握的。毕竟这个技术的原理已经出现三十多年了，没有什么秘密可言。问题是在真正的光刻机上，通过工艺手段真的把它做出来。这个过程是不可能跨越式发展的，一定要7纳米、5纳米、3纳米一代一代做过来，在成熟的前代工艺基础上慢慢迭代出来。那种认为 “让副研究员带着几个学生没日没夜干几天就能搞出 GAA 来升正研究员” 的想法，往好说是幼稚，往坏说是弱智。