作为英特尔多芯片系统创新的重要一环，通过晶体管架构的升级，引入RibbonFET全环绕栅极晶体管，英特尔能够继续推进晶体管微缩。

　　本期“5分钟IN科普”，让我们来一起了解一下晶体管架构的发展历程！

　　什么是晶体管架构？

　　名为晶体管的微型电子开关，是计算机芯片运作的基石。它主要由三部分组成：

　　● 栅极（gate）：相当于开关的把手，通过施加电压实现对电流的控制；

　　● 沟道（channel）：顾名思义，指的是电流的通道；

　　● 源极（source）和漏极（drain）：电流的入口和出口。

　　晶体管架构，指的是设计晶体管的方式，主要指的是栅极、沟道、源极和漏极的几何布局。

　　沟道要做成什么形状的？栅极又如何和沟道接触？等等问题都是晶体管架构的关键。

　　晶体管架构有哪些？

　　MOSFET，全名金属氧化物半导体场效应晶体管，是目前数字电路中主流的晶体管架构。

　　在MOSFET晶体管中，栅极和沟道之间被氧化层（oxide layer）完全隔离开来。一方面，氧化层阻止了电流直接从栅极流向沟道，强化了对电流的控制，避免漏电；另一方面，当施加电压时，由于电容效应，栅极上的电荷会在氧化层下方产生一个电场，“间接”驱动晶体管中的电流流动。

　　此前，制造氧化层的主要材料是二氧化硅，2007年，英特尔率先在商业化的产品中使用了高k材料，显著提升了栅极电容并改善了漏电，实现了晶体管性能的提升。这里的“k”指的是介电常数，即衡量一种绝缘材料在电场中储存电能能力的比例系数。

　　当然，在MOSFET之外，人们还发明了其它的晶体管架构，例如BJT（双极性结型晶体管）、HEMT（高电子迁移率晶体管）和MESFET（金属半导体场效应晶体管）等。与作为数字电路主流的MOSFET不同，这些架构的产品主要应用于射频电路、功率电子、高速模拟等特定领域。

　　MOSFET的发展历程

　　● 过去：平面MOSFET

　　平面MOSFET是传统的MOSFET架构，顾名思义，它的所有组件都在一个水平面上，栅极只能覆盖沟道顶部。

　　短沟道效应（SCE）指的是晶体管沟道长度非常短时，在栅极电场之外，源/漏极电场对沟道的影响增强，造成阈值电压下降、反偏效应增强等现象，进而导致漏电和性能不稳定等后果。

　　随着晶体管尺寸越来越小，在平面MOSFET中，短沟道效应已经无法克服，因此，它最终被3D架构的MOSFET取代。

　　● 3D MOSFET：从FinFET到RibbonFET

　　英特尔在2010年代初期率先实现了FinFET晶体管架构的商业化。在FinFET晶体管中，沟道水平排列，栅极三面环绕，看起来很像鱼鳍，因此我们叫它“鳍式场效应晶体管”。从“一面”到“三面”，通过强化栅极对沟道的“包围”，在芯片制程从20纳米微缩至3纳米的过程中，FinFET有效地应对了性能和功耗等方面的挑战。

　　当制程迈向2纳米级别，FinFET在控制短沟道效应和提升性能方面面临了挑战。为此，产业界转向了控制能力更强的全环绕栅极（GAA）架构，例如英特尔的RibbonFET。

　　RibbonFET将沟道垂直堆叠，栅极“四面”环绕沟道，将其完全包围，从而让它对电流的控制力更强、更稳定、更均匀，不易收到源极和漏极电压波动的干扰。

　　另一方面，当沟道宽度变大时，晶体管的导电能力会增强，能够驱动更强的电流。在FinFET中，如果我们要加宽沟道，就必须让晶体管变得更高，而对RibbonFET来说，因为沟道是水平的，在一定限度内，加宽沟道并不需要增加晶体管的体积。换言之，采用RibbonFET架构的晶体管，能够用更小的体积实现相同的性能。

　　将这一优势放大到芯片层面，意味着芯片标准单元的高度更低，面积更小，能够在一定的空间内集成更多的晶体管，从而实现设备整体性能的提升。

　　RibbonFET作为Intel 18A制程的核心技术，将首发于2025年底量产的英特尔新一代客户端处理器。

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