3nm和5nm?台積電的新聞，一看就懂超簡單
每次總會在電視上看到新聞斗大的標題寫著
[台積電成功量產5nm製程，朝3nm前進]
[台積電超車三星，還擊倒了英特爾]
[台積電在3nm繼續採用FinFET架構]
雖然舉國歡慶，但似乎還是有很多人不知道
台積電是什麼樣的公司? 3nm、5nm又是什麼意思? FinFET又是什麼?
沒關係，這就讓研究家簡單的告訴你
台積電在半導體供應鏈的哪裡
半導體產業可以大致分為三個部分，分別是:
而台積電正是屬於晶圓製造中代工的這一塊，和他相同的公司有 : 格羅方德(GobalFoundries)、聯電等等。
他們主要的事業內容就是幫客戶生產晶片，因為並不是所有的IC設計公司都可以負擔經營晶圓製造部門所需的龐大支出。
然而這裡比較要注意的是，最近英特爾(Intel)提出的IDM2.0，宣告公司即將重回晶圓代工事業，這對台積電可不是個好消息，畢竟英特爾還是有很厲害的製程技術，有可能會搶走台積電的一些訂單，但是如果考慮生產成本以及客戶保密性等等的重要因素，台積電還是很有優勢的，反而是三星要擔心，因為他跟英特爾的同質性更高了(同為IDM投入晶圓代工)。
總結來說，台積電就是幫客戶生產晶片的這麼一家公司。
晶片的組成
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| 上圖就是一顆晶片該有的樣子 |
大家對晶片這個詞一定不陌生，但長相可就不好說了，普遍的晶片就像圖上這個樣子，黑黑扁扁又方方的，你可別小看這個不起眼的小零件，他可是塞了滿滿的開關在裡面呢?
開關!!!!!(其實叫做電晶體)
是的，在晶片裡的開關可並不是我們看到的那種開電燈的開關，而是名叫MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體)的超小開關，這個MOSFET的名字雖然很複雜，但他可是把自己的秘密都一五一十的告訴你，看看下面這張圖，他就是MOSFET。
讓我們好好的審視一下這個複雜的東西
閘極是開關中按鍵的部分。
汲極跟源極則是開關兩邊連接的電線。
P型基板以及N+這裡代表著兩種不太一樣的半導體(和參雜相關，這裡先不講)，但本質上都是矽這個元素構成的歐。
閘極上面的多晶矽薄膜在早期是由金屬構成的，會換成多晶矽是因為他有比金屬更好的特性以及更高的熔點(高熔點的好處跟製程的步驟相關)，但是在40nm以後因為材料科學的進步，又變回了金屬閘極。
*補充一個 : 夾在中間的氧化層現在已經被高介電材料(High-K)所取代了，並和金屬閘極共同合稱HKMG(High-K Metal Gate)。*
介紹完了MOSFET結構，我們這不就看到這個名字是怎麼來的嘛，從閘極往下看，不正好是金屬(Metal)、氧化物(Oxide)、半導體(Semicounder)，縮寫起來不就是MOS。
然而場效電晶體(FET)這個名字又是怎麼產生的呢?
這裡就和電晶體的運作方式相關啦，礙於篇幅，簡單來說FET(Field-Effect Transistor)就是利用電場來控制開關。
當我們在閘極上施加一個電壓，那麼開關就是打開的狀態，電流可以在汲極和源極中自由的流動，反之，當我們什麼都不做，開關就是關起來的，電流無法穿越過閘極，形成斷路。
反正這裡你只要知道，晶片是由很多的MOSFET開關所組成，這些開關用開與關表示0和1，構建了電腦的運算。
MOSFET的大小
這樣說起來，晶片裡有越多MOSFET是不是代表他越厲害呀?
是的，所以我們就可以知道台積電的3nm、5nm是甚麼意思啦，他們代表著MOSFET的尺寸，你看3nm是不是很小，他可是在每毫米平方中可以放入高達2.5億個電晶體的超厲害製程。
但是這裡要說一下的是，3nm這個名字雖然很厲害，但他也只是個製程的代號，各家在這個製程代號的計算方式可是意見分歧的。
三星(Samsung)就取的很激進，可能看似贏過台積電，但是實際上卻沒有這麼厲害，而同為先進製程的英特爾(Intel)取名就相對保守，英特爾的10nm差不多等於台積電的7nm製程，所以千萬不可以光看命名就決定先進製程的好壞歐。
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| 各家的製程命名雖然一樣，但在電晶體密度上卻有差異(圖片來源 : Intel) |
再補充一個!!!!
(其實在早期的製程，這個尺寸是有具體意義的，他代表著閘極長度，也可以說是汲極和源極之間的間距，但隨著縮微技術進步趨緩，閘極長度的進步幅度越來越小，總不可能一直沿用舊的名字吧，況且競爭對手的名字可是取的很響亮呢)
MOSFET的變形-FinFET
隨著電晶體越做越小，閘極下方的隧道長度(或是叫閘極長度)也越來越小(可以看看上面MOSFET的圖)，電流很容易就不小心的流過去，導致漏電流的發生(Short-Channel Effect)。
但是這個可以利用半導體的參雜解決，簡單來說就是在半導體加一些特別的配方去改善這個問題，可是在更先進的製程中，這個方法不再這麼有效。
還有一個問題就是開關難以控制的狀況出現，因為閘極面積在跟著晶片一起變小的情況下，小小的閘極要控制整個開關，可想而知這個是多麼的困難，難免會出現一些意外。
當然還有啦，因為不導電的氧化層在先進製程中變薄，從閘極溜走的漏電流(leakage current)增加，這也是個問題。
總之舊有的平面架構在先進製程中似乎無法再前進了，你看看上面這麼多的問題。
然而面對這些的考驗，一個跨時代的架構出現了，那就是FinFET。
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| (圖片來源:Samsung) |
可以看到，我們把最左邊、最原始的MOSFET中半導體的部分立起來了，變成了一個三面都接觸閘極的結構，因為長得很像魚鰭，所以命名為FinFET，中文叫鰭式場效電晶體。
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| 這樣更清楚了吧(圖片來源:Lam Research) |
可想而知，閘極的面積一定大大的增加了，帶來的就是更好的控制能力啦，也把平面式所碰到的障礙一次解決。
FinFET的右邊是環繞式的GAAFET，全名是Gate-All-Around FET，顧名思義就是給他包起來，這個在三星的3nm工藝上已經被採用了，但是良率......你知道的，三星在先進製程的良率表現本身就不佳，更何況這個架構還是有些難度的，。
最右邊是更厲害的MBCFET，他是一片片超薄的平板，表面積超大，但是這就困難到現在還沒有公司採用囉。
回到一開始的問題
台積電就是幫客戶生產晶片的公司。
3nm、5nm代表的是台積電製程工藝的先進程度，象徵性的表示晶片內電晶體的大小，已經漸漸的不是電晶體上的一個具意義的長度參數了。
就算各家廠商的製程代號相同也會有好與壞的差異，就像是英特爾的10nm就和台積電的7nm是差不多的水準，而三星在這製程代號的取名上又更加激進。
FinFET是一種電晶體的架構，從原本的平面架構推展到三維，幫助電晶體在先進製程上更上一層樓。
看完這一篇，以後台積電的新聞應該都輕鬆秒殺了吧。
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