台积电、英特尔因他成霸主！FinFET晶体管技术让半导体产业大变天
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2021-06-07 22:52
新智元报道
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来源：网络
编辑：yaxin
【新智元导读】上个世纪末，半导体工艺进化之路进入了一个瓶颈期。一位华人教授带领团队发明出「FinFET晶体管技术」，成功解决了当时困扰整个半导体界的晶体管漏电问题。
上个世纪末，半导体工艺进化之路曾一度面临停滞，摩尔定律遭受威胁。
直到FinFET晶体管技术的出现，才使得整个半导体产业突破了20nm左右的限制。
提到FinEFT技术，就不得不提到一个人。
他，就是胡正明，一个「拯救」摩尔定律的男人。
FinFET 给「摩尔定律」续命十几年
几十年来，半导体行业进步的背后存在着一条金科玉律，即「摩尔定律」—— 人类史上最伟大的「自我预言」。
摩尔定律表明：每隔 18~24 个月，封装在微芯片上的晶体管数量便会增加一倍，芯片的性能也会随之翻一番。
上世纪90年代中期，半导体业界普遍认为半导体制程工艺到25nm时将出现瓶颈，制造技术将难以突破。
因为无法解决晶体管大规模集成到一定数量后的漏电问题，功耗将会随之非常高，这也使得业界普遍认为摩尔定律将逐渐失效。
当芯片制程达到极限时，必定会有科研人员思考制程技术的未来。
为什么说，胡正明教授「拯救」了摩尔定律？
那还得从晶体管的原理说起。
我们都熟知中学物理电流开关结构，晶体管其实就像电流开关结构，只不过是用半导体材料做成的。
晶体管的左边和右边都是半导体，只有中间是金属。
可以理解为左边是电流开关结构的源极（Source），右边是漏极（Drain），中间金属是栅极（Gate）。
栅极用来控制从源极到漏极的「通电」，电流从源极到漏极形成了计算机的计算回路。
计算机每次运算，都是上亿个晶体管的进行「电流运动」。
最初的晶体管结构是矩形的，源极、漏极和栅极这3个结构之间的接触面，都是一个平面。
后来，制程技术不断提升时，晶体管中栅极的宽度被挤压的越来越小。
当这个栅极低于20nm时，就会对电流失控，源极的电流会穿透栅极，直接到达漏极。
这可以说是芯片的「漏电」，让芯片发热量急剧上升。
如果我们解决不了这个漏电问题，就不能继续朝着更高的制程走。
1999年，胡正明教授带领自己团队发明了「FinFET晶体管技术」，成功解决了当时困扰整个半导体界的晶体管漏电问题。
胡正明教授的FinFET解决方案就是，改变一下结构。
通过改造晶体管的结构，把源极和漏极做成「直立」的样子，然后让栅极包围住源极和漏极。
这样就相当于增加了栅极和源极、漏极的接触面积，加强了栅极的控制能力，避免了漏电现象。
因为这种结构长得像「鱼鳍」，所以也被叫做鳍片结构。
看似很简单，但是做起来的难度极高。毕竟晶体管的体积都是用纳米计算的，在这种精度上改变形状，难度可想而知。
正因为解决了这个问题，胡正明教授一直被称为「FinFET之父」。
FinFET技术不仅拯救了摩尔定律，同时也改变了整个半导体行业的发展方向，使得台积电、英特尔、AMD、英伟达、苹果、华为、高通、三星等半导体行业的公司都受益于胡正明教授的发明。
台积电前CTO，美国院士，获IEEE最高荣誉奖
1947年，「FinFET之父」出生在北京豆芽菜胡同，后移居台湾，1968年毕业于台湾大学电机工程系。
此后赴美国加州大学伯克利分校留学，并获得了硕士和博士学位。
胡正明教授表示，「自己当时并没有身怀大志，只不过读书不错，便拿到了一个奖学金到伯克利念书。」
自1976年以来，他一直是加州大学伯克利分校电气工程和计算机系的教授。
他还投身产业界，曾担任半导体制造商安霸的董事会成员，后来于2001-2004年又担任台积电CTO。
在学术方面，胡正明总共撰写了5本书，发表了900多篇研究论文，并拥有100多项美国专利。
他在1997年当选美国的国家工程院院士，是微电子物理领域的学术先锋。
胡正明还是IEEE Fellow、中国科学院外籍院士，并且还是中国科学院微电子所、清华大学等院校的荣誉教授。
胡正明多次获得过IEEE授予的荣誉奖项，2016年入选硅谷工程师名人堂，并在当年由美国总统奥巴马授予白宫国家技术创新奖。
目前发展到哪？
近20年过去了，到了7nm时代，我们在芯片制程路上越来越来，甚至到了举步维艰的地步，FinFET结构也无法突破物理极限。
在7nm之后，每前进一步，不仅是在迭代光刻工艺，同时也是在挑战物理极限。
从2015年，第一颗7nm芯片问世那天起，摩尔定律「将死论」就一直萦绕在整个半导体行业。
因为晶体管突破7nm时，漏电现象再次出现了。
科学家们就表示，FinFET到了极限，又一次走到了路的尽头。
时势造英雄，GAA (gate-all-around，简称 GAA) 架构的出现再次拯救了摩尔定律。
它的概念的提出也很早，比利时 IMEC Cor Claeys 博士及其研究团队于 1990 年发表文章中提出。
全环绕栅(GAA)是FinFET技术的演进，沟道由纳米线（nanowire）构成，其四面都被栅极围绕，从而再度增强栅极对沟道的控制能力，有效减少漏电。
目前，IBM宣布最新的2nm先进制程芯片便是采用了GAA架构。
GAA 技术的推进，的确在很大程度上推进半导体工艺特别是先进制程上的发展。
但随着制程技术越来越接近物理极限，想要把芯片继续做薄做小，先进制程也并不是唯一的道路，材料、封装等也都可以称为突破的道路。
正如胡正明教授所说，「FinFET 证实了这个产业还有很多可以用我们的智慧来解决的问题，我还真是看不到半导体产业发展的极限。」
未来，半导体产业发展依然一片光明。
参考资料：
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