【科技速解】GAA 電晶體是什麼？台積電、三星、英特爾決戰 2 奈米的終極技術

Sonya
10月1日
讀畢需時 6 分鐘

已更新：10月3日

秒懂重點：為什麼你現在非懂不可？

過去六十年，晶片產業的信條是「把電晶體做得更小」。電晶體是控制電流的微型開關，但當它被縮小到原子級別時，就像一個關不緊的水龍頭，會不斷「漏電」，導致晶片過熱、效能停滯。這是摩爾定律撞上的最根本的一堵高牆。

GAA (Gate-All-Around，環繞式閘極) 便是推倒這堵牆的終極武器。這是一次對電晶體結構的顛覆性重新設計。如果說過去十年主流的 FinFET 技術，像是一個從「三面」包圍水管來控制水流的閘門；那麼 GAA 技術，就像一個能從「四面八方」將水管完全包覆住的精密閥門。

這種「全方位」的控制力，讓 GAA 電晶體能以近乎完美的精準度，切斷奈米等級的電流，徹底解決漏電問題。它是晶片邁向 3 奈米、2 奈米世代的入場券，也是三星、台積電與英特爾這三大晶片製造巨頭，未來十年霸權之爭的決勝點。誰能率先掌握 GAA 的量產，誰就能製造出最強大、最省電的晶片，主宰整個科技世界的未來。

技術白話文：原理解析與核心突破

過去的瓶頸：開關為何關不緊？(FinFET 的極限)

要理解 GAA 的偉大，必須先了解它取代的對象：FinFET (鰭式場效電晶體)。

首先，我們可以把一顆電晶體想像成控制河流（電子流）的「水閘」。水閘的「閘門」(Gate) 負責控制水的通行。在 2D 平面電晶體的時代，閘門只在河道的上方，控制能力很差。

為此，英特爾在十多年前發明了 FinFET。這個設計把平躺的河道，變成了像魚鰭一樣「立起來」的 3D 結構（這就是 Fin 名稱的由來）。閘門則像一個馬鞍，跨立在魚鰭狀的河道上，可以同時從「左、右、上」三個方向對水流進行控制。這次升級，讓摩爾定律得以延續了超過十年。

然而，當製程進入 5 奈米之後，FinFET 的極限來了。為了讓晶片更小，我們必須把這道「魚鰭」做得更窄、更短。但如此一來，閘門無法控制到的「河床底部」，就成了一個巨大的漏洞，大量的電子會從底部偷偷溜走。這就是「漏電流」(Leakage Current)，它會導致：

電力浪費：晶片在待機時也在大量耗電。
晶片過熱：漏出的電流會轉化成廢熱，影響穩定性。
效能瓶頸：漏電問題限制了我們進一步縮小電晶體的能力。

FinFET 這個曾經的英雄，如今已成為晶片繼續前進的絆腳石。

它是如何運作的？(務必使用比喻)

GAA 技術的核心，是再一次改變「河道」與「閘門」的形狀，實現對電流的終極控制。

第一步：從「魚鰭」到「奈米片」(From Fin to Nanosheet) GAA 不再使用單一的、垂直的魚鰭狀河道。取而代之的，是採用多層「水平堆疊」的超薄「奈米片」(Nanosheet) 作為河道。這就好比，把原本一個立體的長方體水道，換成了三、四層水平堆疊的、像千層麵一樣的超薄水道。
第二步：從「馬鞍」到「完全包覆」(The "All-Around" Gate) 這是最關鍵的突破。新的閘門材料不再是跨立在上方，而是 360 度無死角地「環繞」住每一層奈米片水道。這個結構，就像是把原本三面控制的馬鞍式水閘，升級成了可以從「上、下、左、右」四面同時施壓的「環形精密閥門」。當閘門關閉時，它會從四面八方擠壓每一層水道，不留任何死角，電子自然就沒有任何可以偷溜的路徑。

三星將其 GAA 技術稱為 MBCFET (多橋通道場效電晶體)，英特爾則稱之為 RibbonFET，但其核心原理都是一樣的：透過「環繞式」的結構，取得對電流最極致的控制權。

為什麼這是革命性的？

GAA 不是小修小補，而是對電晶體物理結構的根本性重塑，帶來了三大飛躍：

最優異的漏電控制：環繞式閘極提供了最佳的靜電控制能力，能最大程度地杜絕漏電流，讓晶片在待機時極度省電。
更高的效能與能效：由於閘門控制力更強，在「開啟」狀態下可以驅動更強的電流，這意味著在相同電壓下開關速度更快（效能提升）；或者可以用更低的電壓達到相同的速度（功耗降低）。
可變化的設計彈性：工程師可以透過調整「奈米片」的寬度，來客製化每一顆電晶體的特性，使其專門用於追求高效能，或專門用於追求低功耗。這種靈活性是固定高度的 FinFET 無法比擬的。

產業影響與競爭格局

誰是主要玩家？(供應鏈解析)

GAA 技術是晶圓代工史上最昂貴、最激烈的戰爭，參賽者只有三位：

三星 (Samsung)：最激進的先行者。三星選擇在 3 奈米製程就率先導入 GAA 技術，在技術路線圖上取得了名義上的領先。然而，據報導其初期量產的良率一直面臨嚴峻挑戰，這也影響了其爭取蘋果、NVIDIA 等大客戶訂單的能力。
台積電 (TSMC)：市場的統治者。台積電採取了更穩健的策略，決定在其產量巨大的 3 奈米家族 (N3, N3E, N3P) 中，繼續使用成熟、高良率的 FinFET 技術。他們計劃在 2025 年的 2 奈米 (N2) 節點，才會正式導入 GAA。業界普遍認為，台積電雖然較晚，但有望憑藉其強大的執行力，實現更平穩、更高良率的量產。
英特爾 (Intel)：誓言復興的挑戰者。英特爾將其 GAA 技術命名為 RibbonFET，並計畫在 2024 年底至 2025 年的 Intel 20A 製程節點上導入，這使其在 GAA 的量產時間點上，與台積電站在了同一個起跑線。20A 節點的成敗，被視為英特爾能否重返技術領先地位的關鍵戰役。

技術的普及時程與挑戰

GAA 量產的難度是史詩級的，主要挑戰在於：

製造工藝：如何精準地生成多層堆疊的奈米片，並在蝕刻掉犧牲層後，讓閘門材料完美地「環繞」填充進奈米片之間的微小空隙，這對材料科學和製程控制提出了極限挑戰。
良率：極其複雜的步驟意味著更高的出錯機率。如何將這項新技術的良率，從實驗室階段提升到可供數百萬片晶片大規模量產的水準，是三大巨頭面臨的共同課題。

預計時程：

當前：三星 3 奈米 GAA 已量產，但規模受限。
2025年：將是 GAA 技術的引爆點。台積電的 N2 和英特爾的 20A 將正面對決，蘋果、NVIDIA 等頂級客戶屆時會選擇哪家的 GAA 技術，將決定未來幾年的市場格局。
2026年後：GAA 將成為所有高階晶片（手機 AP、AI 加速器、CPU）的標準架構。

潛在的風險與替代方案

目前最大的風險就是「量產良率賭局」。三星的搶跑能否換來後發優勢？台積電的穩健能否保證一次成功？英特爾的復興之路能否在此一役打響？任何一方在 GAA 的量產上遭遇重大挫折，都可能在未來 5 年的競爭中被對手遠遠甩開。

至於替代方案，短期內沒有。FinFET 的物理極限已定。長期來看，GAA 之後的下一代技術可能是 CFET (互補式場效電晶體)，它將 N 型和 P 型電晶體垂直堆疊起來，進一步提升密度，但那至少是 5-7 年之後的技術了。

未來展望與投資視角 (結論)

GAA 不僅僅是又一次的製程微縮，它是延續摩爾定律生命、支撐下一個十年運算需求的物理基石。從雲端強大的 AI 模型，到你口袋裡手機的效能與續航，都將由這場奈米級別的結構革命所決定。

對於投資人來說，GAA 的戰局是觀察半導體產業最核心的風向標：

王者之爭的終極裁判：三大晶圓代工巨頭的技術領導地位，將由各自 GAA 節點的良率、效能和客戶採用情況來最終裁定。蘋果 A 系列晶片、NVIDIA 的次世代 GPU 會下單給誰，就是最直接的答案。
上游供應鏈的新機遇：GAA 的導入，需要全新的製造設備（如原子層沉積/蝕刻）、新的化學材料以及更精密的檢測工具。能夠提供這些關鍵產品的設備與材料商，將迎來一波巨大的成長機會。

掌握 FinFET，定義了過去十年的晶片格局；而掌握 GAA，則將定義未來十年的王者。這場圍繞著原子級「開關」的戰爭，才剛剛進入最精彩的階段。