我们翻到了几个华为的芯片专利，属实有点意思_风闻

本文原创于微信公众号：差评  作者：托尼

要说最近硬件圈最大的一件事就是华为 Mate 60 Pro 突然开售，大家应该没意见吧？

在突然开售后， Mate 60 Pro 也像一座金矿一样，被各路媒体老师不断挖掘。

之前托尼也蹭上了这台手机的热度，在拿到实机的第一时间跟大家分享了上手体验。（ 指路：上手华为Mate60 Pro后，我更期待它的未来表现了。）

不过，托尼觉得只有上手体验这还不够，因为关于大家最关心的 5G 麒麟芯片，我还没有给大家讲清楚。

但当托尼和硬件部小伙伴们策划这个选题的时候，发现关于 Mate60 Pro 以及麒麟 9000S 的信息基本上已经被同行们给讲完了。

可恶。。。终究还是手慢了。

为了不跟同行们重复讲一样的东西，我们稍微换了个思路——绕开了处理器本身，看看华为在**“ 造芯片 ”**这块还有没有什么料可以挖。

结果发现还真有！

实际上，这个东西并不是托尼先看到的，而是一位名叫 “ 问题先生 ” （ Mr Question ）的博主先看到的。

问题先生在业内还是很知名的，据说有 20 多年的半导体相关从业经验。

两个多月前，他发了一个视频，分析了华为刚刚解禁的一项半导体晶体管制备专利。

他根据专利的文字描述推测，华为打算在传统 FinFET （ 鳍式场效应晶体管 ）的基础上挖两道凹槽，通过改良 FinFET 的结构，提升了晶体管漏电的控制能力。

进而降低了功耗，改善了性能。

问题先生预估：在同制程下， “ 华为 FinFET” 的能效比传统 FinFET 提升 20% ，可以把7nm 工艺发挥出 5nm 的性能；5nm制程做成3nm****的能效。

海外企业们大开大合，刚搞完 5nm 就想搞 3nm 。华为则是未雨绸缪，考虑着怎么能从上一代制程上挤出更多的水分。

而且 7nm 工艺的极限好像真的被华为这个专利探索出来了不少，真就是______。（ 跟我说出那四个字！ ）

但。。。职业习惯让我多做了一步操作，我试着去搜了下问题先生提到的华为专利（ 编号：CN116266536A ，感兴趣的小伙伴可以去看看 ），结果发现问题先生猜错了。

是这样的，问题先生之所以会猜错，是因为他只看到了专利前面部分的文字描述，****然后根据专利的文字描述自己画了一张结构图。（ 这个操作，其实已经相当大佬了 ）

但这个自制的结构图和华为官方的专利配图差的还是有点儿远，所以才误解了华为设计两道凹槽的实际作用。

等到我们再去知识产权局的数据库里查资料的时候，华为已经把对应的专利配图给补上了。

通过看华为自己提供的图片，我们才发现了这两道凹槽的真正作用。

简单来说，华为专利里提到的两道凹槽实际上是用来分别形成源极跟漏极的，这个源极跟漏极相当于开关的两端，当开关闭合时，电流会从源极入，从漏极出。

那么这个专利真正讲的东西是什么呢？

它讲的是华为研发出了一种晶体管制作的改良工艺，通过这个改良工艺，可以让制作高介电常数金属栅极（ High-K Metal Gate ）的制作步骤减少。

这个高介电常数金属栅极技术是28nm 制程节点后的必备技术，但以往的制作工艺复杂，导致它比发展更早、性能更差的多晶硅栅极 (  Poly Gate  ) 技术，要多出几个工艺步骤，这样会造成生产周期延长以及成本增加的问题。

在专利中，华为讲到，改良后的工艺可以节省至少 3 个主要工艺步骤，以及若干个次要工艺步骤。

从理论来说，这样可以降低整体的生产难度，提升不少良率，进而大幅降低成本，华为的初步预估是每片晶圆至少可以节省 20 美金。

按照之前 Mate 系列出货量以百万计的情况来看，假如华为真的要开始自己造芯片了，那么实装这项专利，就能给华为省下一笔相当可观的成本。

同行们想要借鉴还得给华为交专利费。

赢麻了。。。_______！（ 再次说出那四个字 ~ ）

嗯。。。不过，虽然节省成本的专利也很棒，可它并不是大家原本猜测的那样，把 “7nm” 当 “5nm” 耍的炸裂技术。

把实际情况和我们的心理预期做对比，就显得这个专利好像也并没有那么厉害了。

所以本来我们稍微有点儿心灰意冷，打算跟大家稍微解释一下这个小小的专利乌龙就结束了。

不过就在托尼找资料的过程中还发现，华为这次放出来的专利不是一个，而是一批！

其中另外一个编号 CN116636017A 的发明专利，看起来相当有意思。

不卖关子，在这项专利的文档中，华为直接把FinFET ，和GAAFET或ForksheetFET ，做进一个集成电路里。

并且简化了电路的制作步骤**！**

这里可能会有小伙伴要问了：这个突然冒出来的 GAAFET 和 Forksheet FET 又是啥呢？

无论是咱们前面讲到的 FinFET ，还是这个 GAAFET 和 Forksheet FET （ GAAFET 的升级变种 ），它们都是晶体管的一种结构类型。

相比 FinFET，GAAFET 和 Forksheet FET 的漏电控制性能更强。

其中 FinFET 是目前芯片制造中的主流方案，而 GAAFET 和 Forksheet FET 还未实现量产，但是因为 3nm 之后的工艺更难控制 FinFET 的漏电，所以未来一定是属于 GAA 和 Forksheet 的。

诶不过。。。既然 GAAFET 和 Forksheet FET 更先进，为啥华为还要把它们跟 FinFET 做进一个集成电路里呢？

全用 GAAFET 或者 Forksheet FET 不就得了？

emmmmm ，是这样的。

一方面是因为 FinFET 跟 GAAFET（ 包含变种：Forksheet FET ）都有自己的优缺点。

像 FinFET ，它随着制程工艺的升级，尺寸的缩小，会出现漏电流控制性能变差的问题。

这给大家提一嘴漏电流是怎么回事：实际上，电流并不是百分之百从晶体管的源极流向漏极的，这期间有些不受控制的电子会溜掉，这样一来就会产生漏电，而漏的电流越多，会导致功耗和发热越严重。

而 GAAFET/ Forksheet FET ，这类结构在尺寸缩小后，依旧可以保留出色的漏电流控制表现，所以很适合用在 5nm 制程节点之后的芯片上。

但 GAAFET/ Forksheet FET 也有一个缺点，那就是它的电阻会比 FinFET 更大。

所以即使是 3nm 的集成电路里，也不能一味只用 GAA 或者 Forksheet ，也还是需要根据实际情况搭配 FinFET 进行设计。

一个简单的 CMOS 放大版集成电路版图

比如：芯片里的逻辑电路，它是负责运算的，在运算时电路中的晶体管们会进行频繁的开和关（ 其中 “ 开 ” 代表二进制中的 “1” ， “ 关 ” 代表 “0” ，以此来处理数字信号 ），这样就对晶体管的漏电流表现有更高的要求。

同时为了算得更快，晶体管的数量自然也是越多越好。

所以，逻辑电路需要那种在尺寸缩小后，依旧可以有出色的漏电流控制表现的晶体管，那自然就是 GAAFET 或 Forksheet FET 了。

但是像需要处理连续信息的信号的模拟电路，以及有高电压需求的输入输出电路，它们需要电阻更小的通道，自然就是用 FinFET 更合适。

看到这大家应该就明白了，华为的做法相当于：我在一个集成电路中，根据需求来设计 FinFET 和 GAAFET 或 Forksheet FET ，比如输入输出电路、模拟信号处理电路用 FinFET ，逻辑电路用 GAAFET 或 Forksheet FET ，存储电路可以任意选择一种。

这样一来，就可以最大程度地发挥不同晶体管结构的性能。

不过，要做到这件事儿并不容易。

因为在现有的技术条件下，我们要在一个集成电路里制作 FinFET 和 GAAFET/ Forksheet FET ，需要分别单独制作它们各自沟道区内的半导体层，比如：先做好了FinFET，再去做GAAFET。

这步骤一分开，制作过程就变得非常繁琐，生产成本也会随之升高。

这里就要讲到华为这项专利的精髓部分了，他们为了减少制作步骤，在开始制造前的版图阶段会先对芯片的图案层（ 小知识：芯片是通过一层一层的图案层往上叠加制作而成的 ）进行标记，比如第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层、第四半导体层。

说实话，托尼一开始也有点搞不明白这个 “ 第一第二。。。” 到底在讲啥，直到把 28 页的文档 “ 啃 ” 下来后，才大概理解了其中的奥妙。

这个第一、第二。。。不是用来表示先后和重要性，而是**为了标记不同的图案层，**打个不太恰当的比方：FinFET 的第一半导体层对应了GAAFET的第三半导体层。

不严谨地说，这么一对应，就能让它们被同时制作。

利用这个方法，华为就可以不用像前面讲的那样——“先做这个再做那个”，这样就大幅简化了电路的制作过程，减少工期和成本。

妙啊 ~ 如果这项专利在未来可以落地，那么对于华为的芯片竞争是很有利的——当然了，只是假如、假如华为真的想自己做芯片的话。

毕竟专利本身只是个技术储备，大家不要听风就是雨，要理智判断。

而且虽然咱们短短几句话就讲完了华为的巧思，但实际操作起来还是困难重重****的。

因为 GAAFET 、 Forksheet FET 的结构又小又复杂，不仅对蚀刻工艺的要求非常高，而且还要用到 EUV 光刻机，这个东西现阶段国内很难搞定。。。

而且托尼还问了一下搞半导体设计的朋友，发现除了咱们前面提的这些内部的光刻问题，外部的电压调控也是需要攻克的。

毕竟两种晶体管结构的特性不同，驱动电压也不同，驱动电路的设计也需要做额外的调整。

看来，华为的这项专利想要真正落地，需要克服很多我们难以想象的困难。

今天我们聊的这些东西，都是华为公开的设计专利，虽然看着很厉害，但很大概率还没有应用到实际的生产步骤上。

因为光有想法不行，还是有很多具体的、配套设备上的问题需要解决的。

不过我发现了一个小细节，不知道有没有小伙伴观察到。

虽然华为这批专利上个月才解禁，但他们真正的提交日期是——2021 年 2 月！

换句话说，两年前，华为就在思考该怎么把芯片造的更好了。

遥遥领先！！！

图片、资料来源：

华为、wikipedia

華為晶體管設計專利，首個中國的FET結構設計，這底層技術可改變半導體效能，5nm制程做出3nm功效——Mr Question

[GAA系列一]详解台积电2纳米制程中的全环绕栅极（Gate-All-Around）晶体管技术——知乎@浅醉闲眠

摩尔定律筋疲力尽，GAA成FinFET进化的必由之路——OFweek工控网

A Farewell to FinFETs: Intel Goes 3D With Stacked Forksheet Transistor——allaboutcircuits

部分图源网络