【芯片大戰】台積電3nm製程技術超前，預計今年下半年進入試產

隨著各個行業出現「缺晶片」潮後，台積電在全球經濟作用越發突出。台積電在近日召開的國際固態電路研討會ISSCC 2021中，董事長劉德音表示3nm晶片製程技術進度超前，預計會在今年下半年進入試產。現階段，目前只有三星和台積電挑戰3nm極限，為未來科技帶來新的改革。

3nm晶片成效

劉德音指出，3nm製程技術較5nm製程，將可讓電晶體密度提高70%，或令電功耗降低27%，3nm製程將於今年下半年進入試產，並且在2022年正式用於量產。

3nm晶片產量

在去年8月，台積電表示正研發4nm及3nm製程，計劃2022年量產，是次則是確定率先攻破3nm的極限製程。台積電這樣部署3nm晶片研發，並非無原因。三星電子是目前除了台積電之外，能夠量產5nm製程的半導體公司，在今年7月，三星計劃直接跳過4nm先進制程，轉向挑戰3nm極限制程，計畫在2022年量產化。兩間企業正搶佔3nm晶片製程先發者地位，彼此敵意更濃。

7nm？5nm？3nm？數字有何涵義？

相信普遍讀者未必了解該晶片發展，因此將淺談關於晶片的技術。每件電器上都由電子晶片驅動整個系統，但隨著人對生活越來越講求精簡，以致產品體積越來越小和功能變得多元化。

為配合電子產品的體積和功能上的改變，需要做到3nm晶片。在分析台積電突破3nm極限前，首先需明白「3nm」中的「nm」的含義。「nm」是指微型電路在晶片上彼此之間的單位距離，而電路距離減少，意味著能放入更多元器件，讓晶片計算能力提升。所以在幾年前，部分電器還在使用16nm技術，再演變至今，大部分的高端科技產品都會引用上7nm晶片，冀電器發揮出最大成效。

台積電3nm技術

台積電與三星在3nm製程所用的技術各不相同。三星在3nm製程技術導入環繞式閘極結構 (GAA)電晶體。但相反，台積電在第一代3nm製程技術依然採用舊式鰭式場效 (FinFET)電晶體設計。不過，近日從供應鏈傳出，由於三星採用GAA技術生產，難度較台積電的方法更大，因此3nm製程進度或要延遲一季。

之所以有設計上的出入，皆因想提升晶片的效能，讓表現的突出之餘，更希望減少能量流失。而為了突破3nm設計上的極限以及達到理想的效能，因此在設計上便出現分歧點。

鰭式場效 (FinFET)電晶體設計

FinFET設計的誕生，是源於傳統平面場效設計未能滿足到現今科技產品需求。當需要更高的電腦計算功能時候，便要達到25nm以下。但FinFET為前代的設計帶來新的突破，將固有的概念配合上立體化，從而提升晶片的整體表現。

但這設計在3nm晶片上，會變得難以控制電流和失去對個別電場的抗性等兩個問題。總體來說，這設計未必適合引用在3nm晶片的設計上。

入環繞式閘極結構 (GAA)電晶體設計

GAA和FinFET之間的最大差別，在於FinFET的架構中，個三面閘極包圍著；而GAA則是全方位被包圍，有如環狀的結構。依GAA設計製作3nm晶片是被半導體電路包圍著，相比起FinFET設計，在控制和穩定性有著明顯的改善和進步。

然而台積電在設計初代3nm時，則使用FinFET設計。但有消息指出，台積電選擇在研發3nm的後期階段轉向採用GAAFET設計。

摩爾定律還會否持續下去

摩爾定律是由Intel創辦人之一戈登．摩爾所提出的定理，所提出的是每18個月後，集成電路上的晶體數目就會多一倍。三星和台積電在2019年相繼宣布研發5nm晶片，但來到2021年的今天，唯有等三星和台積電宣布更多有關3nm晶片的消息。作為現今晶片界的兩家龍頭公司，到底能否打破3nm這極限，將這定律延續下去呢？接下來就讓我們拭目以待，看看誰能率先突破3nm的極限。

編輯/製圖：Business Digest