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整理包/美中科技戰再升溫 美擬限制GAA技術輸陸!GAA是什麼?會重創大陸 AI 晶片布局與發展?

美國政府研擬進一步收緊對中國大陸的晶片出口限制,鎖定環繞閘極(GAA)製程技術生產的晶片,提高大陸發展AI的難度。 (路透)
美國政府研擬進一步收緊對中國大陸的晶片出口限制,鎖定環繞閘極(GAA)製程技術生產的晶片,提高大陸發展AI的難度。 (路透)

本文共2420字

經濟日報 新聞部新媒體中心/編輯林宜萱整理

近日,彭博資訊報導,美國政府正考慮限制中國大陸獲得AI晶片技術能力,把目光鎖定在剛開始進入市場的環繞式閘極(GAA)電晶體技術。經濟日報解析什麼是GAA、為何美國要限制GAA技術流入中國大陸、對陸半導體業或其他業者有何影響等關鍵問題。

GAA架構是什麼?

GAA是一種電晶體架構,稱作環繞式閘極電晶體,相較於平面、鰭式電晶體架構,可以減少電流洩漏,並增加電晶體密度,提升晶片性能。

20奈米製程之前,採用的是平面電晶體架構(Planar FET),20奈米之後轉為使用鰭式電晶體架構(FinFET),隨著閘極長度縮小至3奈米、2奈米,開始有了閘極環繞式電晶體架構(GAAFET)的出現。

這三種架構的不同,在於控制晶片內電子流動的能力,而電子能不能通過由「閘極」來控制,可以把閘極想像成電燈開關,當施加電壓時,電子通過電流通道,從源極流向汲極,代表位元1,不加電壓時,則沒有電流通過,位元為0。

平面電晶體 Planar FET

早期的平面電晶體架構(Planar FET)會遇到的問題是,當閘極線寬愈小,閘極與下方通道的接觸面積也愈小,使兩者無法密合,電子就會偷偷跑去,形成漏電、短路的情況。

鰭式電晶體 FinFET

為了解決漏電問題,業界發明了鰭式電晶體架構(FinFET),從平面改為垂直架構,將源極和汲極立起來,因為立起來的結構像魚鰭而得名。如此一來,能增加通道和金屬閘極的接觸面積,更好控制電子流通,因此FinFET成為現今半導體的主流結構。

環繞式閘極電晶體 GAAFET

然而,半導體製程持續推進,FinFET也快不夠用了,業界逐步導入閘極環繞式電晶體架構(GAAFET),把每一片Fin改成上下排列,將電晶體的通道完全包覆在閘極中,更有效提升對電路的控制與穩定性,減少漏電,並降低功耗、提高晶片性能。

為何美國要限制GAA技術輸陸?

美國先前已針對中國大陸半導體業提出晶片禁令,包含限制取得先進晶片、EUV機台等,導致大陸7奈米以下製程發展受阻,為何現在又要針對3奈米以下的GAA技術作出限制?

美國的晶片禁令旨在打擊中方半導體發展,但卻逼得中國大陸加快自產晶片的腳步,華為2023年發表的Mate 60 Pro高階智慧手機就是最好的例子,即使沒有ASML的EUV設備,中國大陸還是能製造先進晶片,只是成本太高,無法大規模量產。

因此美國考慮擴大晶片禁令,讓大陸更難獲得建造和運行 AI 模型所需的複雜運算系統,提高其建立AI系統的難度,並全面防止大陸發展自有半導體供應鏈。

知情人士透露,美國商務部工業暨安全局最近會遞交GAA規則草案,不過由於業界批評第一版規定過於廣泛,因此相關細節還在討論中,目前尚不清楚是禁止大陸開發GAA晶片,還是會更進一步,限制其他國家晶片製造業者對陸輸出相關商品與技術。

陸有機會突破禁令?三星首當其衝受衝擊

針對美國作法,中國大陸外交部發言人林劍回應,美方舉措阻止不了大陸科技進步,只會激勵大陸企業自立自強。

工研院產科國際所所長林昭憲指出,在地緣政治下,防堵是短期解方,技術日新月異,雖然美國對中國大陸防堵,但陸方發展技術,有可能不考慮報酬率,所以這部分不能小看中國大陸能力。此外,在量子運算上,量子方面大陸專利與論文發表數領先很多領域,所以局部突破是持續觀察的地方,這值得「後AI時代」關注。

從技術層面來看,工研院產科國際所經理范哲豪表示,美國政府管制先進製程確實會對大陸發展AI產生影響,但他認為中國大陸也在思考其他方法,他指出,要讓晶片更智慧化,除傳統製程微縮外(也是一般摩爾定律),還有其他方式,比如異質整合、改變晶片設計架構等,用不那麼先進製程,在特定領域用途也能有更好的運算效率。

另外,由於目前業界只有三星在其3奈米節點上採用GAA技術,可能首當其衝受衝擊。英特爾將在其Intel 20A節點中採用,台積電則計畫在2奈米製程上採用GAA技術,是否會受影響有待觀察。

台積電靠FinFET就打趴三星 2奈米正面對決GAA

GAA之所以重要,因為該技術是3奈米製程以下的關鍵,三星搶先在2022年宣布生產使用GAA技術的3奈米晶片,明顯是想彎道超車台積電,但沒這麼容易,近期傳出三星的3奈米晶片良率與功耗表現不佳,到目前為止還沒傳出取得大客戶的訂單。

BusinessKorea報導,台積電是3奈米的霸主,即使傳出將調漲3奈米製程晶圓代工價格,但輝達(NVIDIA)、超微(AMD)、蘋果(Apple)及高通(Qualcomm)等大客戶也不會跑掉,原因在於客戶重視品質甚於價格,三星3奈米的良率低,想搶走台積客戶幾乎不可能。

GAAFET技術比FinFET複雜,要提升良率相當困難,GAA是多層次堆疊電晶體結構,必須用光學檢測良率,當可見光從上方往下打時,只能照到表層,照不到下方的結構,在量測不準的情況下,就很難確保良率,這也是為何三星始終無法提高GAA良率的原因。

既然可見光無法穿透,工研院提出用X光的方法,就可以量測到深層的結構,將來可能成為台積電2奈米GAA製程提升良率的解方。

至於為何台積電不急著在3奈米採用GAA,而是沿用FinFET?因為3奈米以上的晶片對性能、功耗、密度的要求沒那麼高,其實用FinFET就夠了,又可同時確保良率和控制成本。台積電將於2025年量產2奈米,屆時將與三星在GAA技術上正面對決,誰能取得較高的良率,就是領先的關鍵。

(資料來源:記者尹慧中、黃雅慧、編譯簡國帆)


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鎖定 GAA 製程!傳美國考慮進一步限制北京取得 AI 晶片技術

霸主的實力!韓媒:台積電漲價後大客戶也不會跑 三星只能乾瞪眼

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