3纳米？三星“下世代”芯片要碾压苹果高通！

自家的7nm制程的芯片还没见到影子，三星就急着用嘴“抢发”了3nm工艺。

近日，三星在其晶圆制造论坛上公布了一个重磅消息，三星正在开发一个名为Gate All Around的技术，它将把三星的制程工艺推向3nm，并在2022年实现量产。

当然，长期关注芯片行业的同学都懂得，和“老冤家”台积电形成鲜明对比，三星的调性一向是“说得比做得漂亮”，在信守承诺这件事儿上，最好不要对其抱有太多期待，尤其是在7nm量产还看不到影子的现在。

三星喊出的预期进展，我们听听就好，但三星同时宣布的GAA技术却值得一波关注，在突破传统制程工艺5nm的限制后，“摩尔定律”的故事要怎样讲下去呢？

1971年11月15日，英特尔在美国《电子新闻报》上刊登了一则广告，广告的主角是一种新型芯片，它可以根据你的指令来执行不同的操作。

这枚芯片就是Intel 4004，人类历史上第一枚微型电脑处理器，它在3mm×4mm的尺寸里塞进了2300个晶体管，采用了五层设计，10微米制程，每秒运算9万次，代表了当时最先进的半导体器件制造水平。

也就是在这枚芯片诞生的6年前，戈登·摩尔提出以自己名字命名的「摩尔定律」，这位英特尔的联合创始人提出了一个大胆的设想：集成电路上可容纳的元器件的数量每隔18至24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。

工程师们很给力，在此后的40年多间，尽管包括英伟达CEO黄仁勋在内的大佬们，时不时就会发出“摩尔定律已死”的感叹，但这些言论总以更高制程芯片诞生的打脸定律而告终。

1992年，英特尔奔腾处理器采用了0.8微米的制程。

1996年，0.35微米制程芯片出现在任天堂游戏机上，成为了塞尔达传说、超级马里奥等景点游戏背后的底层技术基础。

2004年，包括IBM、英特尔、AMD、英飞凌在内的厂商先后推出了90nm芯片，制程工艺第一次从μm微米进化到了nm纳米。

2010年，手机芯片取代笔记本电脑成为推动制程工艺继续发展的主要动力，这一年，诞生了三星Exynos 9和高通骁龙835等采用10nm制程的芯片。

2018年，苹果在iPhone XS上首先用上了7nm制程的A12 Bionic芯片；紧随其后，高通的骁龙855和华为海思的麒麟980也采用了台积电的7nm工艺，自此，人类的半导体器件制造工艺正式进入7nm时代。

如果你仔细观察半导体工艺制程的节点，会发现这些数字几乎都是以0.7倍的速度递减，按照这个传统的工艺路线来看，其后一代将是5nm制程芯片，这也将是现在使用的EUV光刻机能制造出的最高制程芯片。

然而，眼看就要从积累50年的“量变”迈向“质变”，包括台积电、三星在内的半导体制造大厂，已经纷纷将目光投向了代表“下一世代”的3nm制程，5nm这一步大家显然都已无心再关注，鼓捣7nm的空档顺手搞一搞就好。

从5nm到3nm到底有什么难的？

两个最大的障碍是光刻机技术的发展，和晶体管的结构。

通俗地解释一下，光刻机的作用，类似于胶片相机，就是将已经设计好的电路图，通过激光投影“刻”到硅晶圆上。

所谓的制程，就是指硅晶圆上微型电路之间的距离。当然这个数字越小，就意味着单位面积上可以容纳更多的元器件，随之提升的就是芯片的算力，与电信号的传播效率。使用低制程芯片的手机，直观上的感受起来更加轻薄、不卡顿、也更省电。

而在现有光刻机技术达到极限后，如何缩小晶体管的体积，就成为了决定芯片进步的最关键因素。

但由于受到很多复杂因素的影响（比如迁移率、漏电流等），晶体管的微型化并不是简单做小点就能解决的，相应地，它需要晶体管结构设计上的调整。

起初，晶体管是以平面的顺序排列，然而这种方式注定无法最大限度利用空间，当晶体管的尺寸缩小到25nm以下时，这种传统的平面场效应管（PlanarFET）的尺寸就已达到其物理极限。

随后，一种叫做FinFET的晶体管结构诞生了，在此前的很长一段时间内，它都是半导体界的主流解决方案，成为了驱动芯片产业发展的最大动力。

FinFET的主要思想就是将晶体管的排列立体化，通过在垂直方向的缩放来增加晶体管的沟到和栅极之间的接触面积，从而得到更快的切换时间与电流密度。

然而，和PlanarFET一样，FinFET也并非终极解决方案，当芯片制程来到3nm时，它就显得心有余而力不足了，芯片核心晶体管又面临着重新的设计和改造。

这个方案就是三星即将用到的GAA结构，即多闸极晶体管。不过，三星也在GAA的基础上做了改良，把晶体管通道从原来的小圆柱体，换成了更宽的纳米片，纳米片越宽，芯片的性能也越高，但随之而来的功耗也越大。

按照三星的设想，相较于7nm，采用3nm制程后，芯片性能将提高35%，功耗降低了50%，芯片面积缩小45%。

自从1971年第一枚10微米芯片诞生至今，几乎没有任何一个制程的芯片能具备3年以上的统治力。而从目前的情况来看，即便按照三星的理想进程计算，最早在2022年前，我们仍将停留在5nm的时代。

我们正在上一个世代中无限逼近摩尔定律的瓶颈，而当跨越这个节点后，我们对世界认知的极限是必定会随着拓宽。

人类用了30年的时间，将芯片制程从微米级带到纳米级；而从纳米向皮米（纳米的千分之一）的突破，又会是个怎么样的故事呢？