散英魂寄千萬雄鷹翱翔神州，

盡智魄載十億慧芯呼喚華夏。

——《國務院給予江上舟同志挽聯》

01

前沿導讀

中科院微電子研究院在官方平臺公布了2024年的年鑒，年鑒中表示，由中國科學院微電子研究所研發的水平形GAA器件，已經在國內12英寸晶圓生產線實現了量產制造。

12英寸的晶圓生產線屬于大硅片類型，300mm毫米的直徑尺寸，主要制造方向就是高端芯片產品，其中包括了SOC、CPU、GPU、存儲器等產品。

02

12英寸大硅片

中芯國際的創始人張汝京，在離開中芯國際之后，在上海創立了新昇半導體，主要的研發方向就是12英寸的300mm大硅片。12英寸的硅片，對于平整度的要求極高，要求控制在1nm以內。

由于技術難度大，當時擁有大硅片的制造商，大部分都是海外企業，只有一個來自于中國臺灣。其中包括了日本信越化學、三菱、德國世創電子、韓國硅德榮以及中國臺灣的環球晶圓，這幾個企業，壟斷了全球硅片90%以上的市場份額。

張汝京創立新昇兩年之后，完成了中國第一個高質量12英寸的晶圓硅棒。又過了兩年，開始大面積量產。到了2019年，新昇半導體可以量產10萬片12英寸的大硅片，并且伴隨著整個中國大陸在微電子產業上面的大幅度投入，中國的大硅片產業已經實現了自給自足。

03

Fin FET與GAA FET

GAA的核心技術理念是GAA FET，環繞式柵極晶體管。胡正明教授發明的上一代Fin FET技術，是將晶體管從平面改為立體垂直結構，溝道被柵極三面包裹，控制漏電的情況。

而GAA FET則是更進一步，溝道被柵極四面包裹，再次提升柵極對電流的控制效果。

目前來說，三星、英特爾、臺積電在多年以前，就已經入手GAA FET技術的研發了。但是臺積電為了求穩，還是在3nm芯片的代工上面采用之前的Fin FET技術，并沒有直接采用GAA。

而三星是這三家里面最激進的，在2022年的時候，就已經宣布將GAA FET技術應用到了自家3nm工藝的Exynos上面，但是由于良品率和能耗的問題，遲遲沒有進行大面積的量產。

至于英特爾這邊，由于英特爾是IDM產業模式的推動者，所以英特爾首要的任務是優先滿足自家產品的供應需求，然后才考慮跟其他設計廠商合作。所以在競爭態度上面，英特爾并沒有太過于積極的去跟三星和臺積電比拼制造工藝。

GAA的本質就是在之前Fin FET的基礎上進行升級，以此來提升晶體管堆疊之后出現的漏電問題。但是這種新技術所帶來的問題就是良品率太低、成本太高，如果只是單純的進行技術流片測試，那么沒什么問題，但是想要大面積的進行量產商用，良品率和成本的問題就相當重要了。

以Fin FET技術制造的芯片舉例，28nm的芯片設計成本約為4000萬美金，16nm、14nm的成本就上升到了1億美金以上，而先進工藝的7nm芯片，成本達到了2.9億美金，5nm芯片，成本會提升到5億美金左右。

Fin FET技術結構的極限也就是3nm了，如果再往下發展，芯片內部的晶體管越來越小，堆疊數量越來越多，在晶體管內部的柵極處于關閉狀態下，電子漏電的情況會成為一個不可控的因素，這種漏電的情況，直接影響的就是芯片功耗的提升。

之前都說三星的芯片制造工藝不行，發熱嚴重，根本原因就是因為當時三星的制造工藝沒有把控好晶體管的柵極閉合狀態，導致了漏電，讓芯片的功耗大幅度提升。

想要在提升芯片性能的基礎上，實現功耗的穩定，基本的邏輯就是在盡可能小體積的集成電路板上面，晶體管的數量要多，而且內部通過的電流要大。

但是電流變大就會出現漏電的情況，需要通過新的技術手段，盡可能減少漏電的情況，這樣就可以保證出來的芯片在良品率、性能、功耗的控制上面達到一個比較不錯的水平。

04

國內開創的全新技術

中科院根據之前Fin FET、GAA FET的技術理論基礎，重新設計并研制出了類似于魚骨狀的GAA器件（Fishbone FET）。

相對比同領域的立體樹型結構，魚骨結構的GAA器件擁有較好的電流控制系統，可以解決電學性能失配的問題，更好的集成在CMOS當中。

從技術上面來說，我國開創的Fishbone FET是一種全新形態的晶體管設計結構，也是在Fin FET的基礎上演變而來的晶體管形態。

這種技術如果要應用在5nm、3nm這種先進的工藝節點上面，良品率和成本是不可控的。而且我們還沒有在先進工藝上面實行產業鏈的貫通，現階段只能是通過成熟工藝來進行量產使用。

12英寸大硅片可以在28nm、14nm、7nm、5nm等多個制程工藝領域進行使用，涵蓋了成熟制程工藝與先進制程工藝，完全可以滿足新技術的要求。

從張汝京當初帶領著新昇半導體實現國產大硅片的量產，到現在中科院在FET技術上面進行結構形態的創新，中國的半導體產業鏈正在從各個環節進行單點突破，并且在突破之后開始逐步進行整合收縮，實現全產業鏈的融會貫通。

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