【科技速解】GAA 電晶體是什麼？台積電、三星 2 奈米終極一戰的勝負手

秒懂重點：為什麼你現在非懂不可？

過去十幾年，你我手中的 iPhone 之所以能越來越快、越來越省電，都得感謝一個叫做 FinFET（鰭式場效電晶體）的偉大發明，它就像一個「U 型的鉗子」，從三面夾住水管（通道），精準地控制著電流（水流）的開啟與關閉，這個發明讓摩爾定律得以延續至今。

但現在，當晶片小到 2 奈米（一根頭髮寬度的五萬分之一）的等級時，這個 U 型鉗子出問題了，水管被壓得太扁太細，鉗子就算夾得再緊，水流還是會從「沒有被夾住的第四面」（底部）滲漏出去，這就是「漏電」，它會導致晶片發熱、耗電，性能無法再提升。

GAA (Gate-All-Around) 環繞式閘極，就是來解決這個問題的終極武器，它的概念很暴力也很完美：與其用 U 型鉗子，不如我改用一個「360 度的握拳」，把水管的四面八方「全部包起來」，透過這種無死角的環繞式控制，GAA 徹底關緊了漏電的水龍頭，讓電流變得極度聽話。

這不是一次小升級，這是一場架構上的徹底革命，三星 (Samsung) 已經在 3 奈米節點激進地導入 GAA；而台積電 (TSMC) 和英特爾 (Intel) 則將GAA 視為 2 奈米節點的決戰兵器，這場戰役的勝敗，將直接決定誰是下一個十年的半導體霸主。

技術白話文：原理解析與核心突破

過去的瓶頸：它解決了什麼關鍵問題？

要理解 GAA 的偉大，我們必須先理解它的前輩 FinFET 為何會走到盡頭，電晶體的本質，就是一個「開關」，控制電流的通過（代表 1）或阻斷（代表 0）。

• 開關的控制者：叫做「閘極 (Gate)」。

• 電流的通道：叫做「通道 (Channel)」。

在 FinFET 架構中，通道被設計成一片片像魚鰭 (Fin) 一樣的 3D 結構，「閘極」像一個馬鞍一樣，跨騎在「魚鰭」上，從左、右、上三個面來控制通道，這在當時是個創舉。

但隨著晶片越做越小，「魚鰭」也必須做得越來越薄。這帶來了兩大瓶頸：

1. 短通道效應 (Short-channel effects)：當通道變得極短，閘極對通道的控制力會大幅下降。就像你用兩根手指捏一個超短的軟管，水流（電流）很容易就失控地「噴」過去。
   

2. 漏電 (Leakage Current)：最大的問題。U 型的閘極只控制了三面，但「魚鰭」的底部仍然與晶片基座（基板）相連。電流會偷偷從這個底部溜走，形成漏電。這就像一個關不緊的水龍頭，滴滴答答地浪費水（電力）並產生廢熱。

在 3 奈米以下的尺度，漏電問題變得極其嚴重，FinFET 這位老將終於撐不住了。

它是如何運作的？

GAA 的核心理念，就是實現對通道的「完美控制」，它不再使用「魚鰭」，而是引入了全新的結構：奈米片 (Nanosheet) 或 奈米線 (Nanowire)。

讓我們再次使用「水管與水龍頭」的比喻來解釋這場演進：

• 傳統電晶體 (2D)：像一個平鋪在地上的橡膠水管。你用一塊木板（閘極）從「上面」往下壓，試圖阻斷水流，效率很差，水很容易從兩邊流走。
  

• FinFET 電晶體 (3D)：像一根立起來的、扁扁的消防水帶。你用一個「U 型的鐵鉗」（閘極）從左、右、上三面去夾住它。控制力大大提升，但水流（電流）還是會從接觸地面的「底部」滲漏出去。
  

• GAA 電晶體 (3D+)：這是一次徹底的設計變革。工程師把水管從基座上分離開來，讓它「懸浮」在空中。
  

  1. 結構：GAA 不再是一根扁平水帶，而是多根堆疊在一起的、細小的圓形水管（奈米線），或者多層堆疊的、薄薄的板狀水管（奈米片）。
     

  2. 控制：閘極不再是 U 型鉗，而是像一個「握緊的拳頭」（環繞式閘極），將這些懸浮的水管從上、下、左、右 360 度無死角地「完全包裹」住。
     

  3. 結果：當這個「拳頭」握緊時（開關關閉），水流（電流）被徹底阻斷，沒有任何路徑可以滲漏。當拳頭放鬆時（開關開啟），水流則能順暢通過。

三星稱其 GAA 技術為 MBCFET（多橋通道場效電晶體），指的就是這種多層堆疊的「奈米片」結構。

為什麼這是革命性的？

GAA 的革命性在於它重新奪回了閘極對電流的絕對控制權，這帶來了三大飛躍：

1. 徹底解決漏電：360 度的包裹，讓漏電問題得到根本性的解決。這意味著晶片在待機時的功耗將大幅降低。
   

2. 性能更強：由於控制力更強，GAA 晶片可以在更低的電壓下運作，在同樣的功耗下提供更快的運算速度。
   

3. 更高的設計彈性：GAA 的「奈米片」結構賦予了晶片設計師新的「超能力」，他們可以透過改變「奈米片」的「寬度」，來客製化電晶體。
   

   • 需要高效能的運算（如 AI 核心）？ 就把奈米片做「寬」一點，讓水管更粗，一次通過更多水流（電流）。

   • 需要低功耗的運算（如待機晶片）？ 就把奈米片做「窄」一點，讓水管更細，極度省電。

   • 這是 FinFET 無法提供的「可調變性」。

產業影響與競爭格局

誰是主要玩家？

GAA 是半導體金字塔尖的對決，全球只有三個玩家有能力上桌：

1. 三星 (Samsung)：激進的領跑者。 三星在 2022 年就宣佈在 3 奈米節點「率先」導入 GAA (MBCFET)，這是一場豪賭，三星希望藉此彎道超車台積電，然而，初期良率不佳的傳聞不斷，導致其難以爭取到蘋果、NVIDIA 等大客戶的頂級訂單，但這場豪賭為三星積累了寶貴的量產經驗。
   

2. 台積電 (TSMC)：穩健的王者。 台積電選擇了更務實的路線，其 3 奈米家族 (N3) 決定繼續使用「改良版」的 FinFET 技術，優先確保客戶產品的良率與穩定，台積電將 GAA 視為其 2 奈米 (N2) 節點的決戰武器，預計在 2025-2026 年量產，屆時，全球將屏息以待，看是台積電的「後發制人」更強，還是三星的「先發經驗」更優。
   

3. 英特爾 (Intel)：決絕的挑戰者。英特爾正處於其「四年五節點」的絕地反攻中，GAA (Intel 稱之為 RibbonFET) 是其重返榮耀的核心技術，將用於其 20A 節點（相當於 2 奈米），並計畫搭配另一項革命性技術 PowerVia（晶背供電），英特爾的時間表極為激進，目標是在 2024-2025 年實現量產，試圖一舉奪回製程的領先地位。

技術的普及時程與挑戰

GAA 已經開始。三星的 3 奈米是第一槍，而真正的「GAA 世代」將由 2 奈米節點（約 2025-2026 年）的全面開戰來定義。

普及的最大挑戰只有一個詞：良率 (Yield)。

• 製造難度極高：要在原子級別的尺度上，完美地製造出多層堆疊、懸浮的奈米片結構，並確保閘極材料 360 度均勻包裹，其工藝難度比 FinFET 高出一個數量級。

• 材料的挑戰：需要全新的材料（如矽鍺 SiGe）來精確蝕刻，任何微小的偏差都會導致數十億美元的晶片報廢。

• 成本：更複雜的工序、更昂貴的機台（如 EUV 微影技術），使得 2 奈米 GAA 晶圓的製造成本將再創新高。

潛在的風險與替代方案

風險在於，如果 GAA 的良率攀升過於緩慢，成本居高不下，可能會迫使晶片設計公司（如蘋果、NVIDIA）放緩採用最先進製程的腳步，轉而將更多資源投入到「先進封裝」領域，用 Chiplet (小晶片) 的方式來「繞過」對單一最貴晶片的需求。

替代方案：

• 短期：沒有替代方案。GAA 是延續 CMOS 微縮的唯一路徑。

• 長期 (10-15 年後)：科學家正在研究超越矽的全新可能，例如二維材料（如二硫化鉬 MoS2）或碳奈米管 (CNT)，但這些都還處於實驗室的早期階段。

未來展望與投資視角

GAA 的導入，是摩爾定律的關鍵「續命」一役，它將決定 2 奈米及之後 1.4 奈米 (A14) 節點的技術基礎。

對投資人而言，這場發生在原子尺度上的戰爭，提供了極為清晰的觀察指標：

1. 終極的贏家通吃： 這是一場只有第一名才能獲利的戰爭，未來 1-2 年，投資人必須緊盯三巨頭在 2 奈米 GAA 節點的良率數據，誰的良率先爬坡達標，誰就能鎖定蘋果、NVIDIA、AMD、高通的下一代旗艦產品訂單，從而壟斷未來 3-5 年的絕大部分利潤。
   

2. 客戶的選擇是風向標： 關注蘋果 (Apple) 的 A 系列和 M 系列晶片、NVIDIA 的下一代 AI GPU，它們會選擇哪家代工廠的 2 奈米 GAA 製程？它們的選擇將是市場對該技術成熟度最直接的信任投票。
   

3. 設備與材料商的盛宴：GAA 帶來了全新的製造工序，這意味著對半導體設備商（如應用材料、科林研發）和特用化學品（材料）供應商的全新需求，這些「軍火商」是這場戰爭中確定性較高的受益者。

從 FinFET 到 GAA，是半導體從「三面控制」走向「全面掌控」的偉大一步，這不僅是為了更快的速度，更是為了在 AI 時代控制住晶片對電力的無盡渴求，這場 2 奈米之戰的結果，將定義我們手中設備的未來形態，並決定全球科技權力的天平向何方傾斜。

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