Belangrijkste punten van de redactie
- GAA (gate-all-around) is de opvolger van de FinFET: de gate omsluit het kanaal volledig, waardoor lekkage en stroomverbruik dalen bij gelijke of hogere prestaties.
- Samsung was de eerste met GAA op 3nm (MBCFET); TSMC volgt met N2 (2nm) en Intel met RibbonFET op het 18A-proces.
- Het grootste voordeel is betere elektrostatische controle: de volledig omsloten gate houdt de stroom ook bij zeer kleine afmetingen onder controle, zodat chips op lagere spanning werken.
- De productie is complexer en duurder: nanosheet-release, inner spacers en parasitaire capaciteit zijn de grootste uitdagingen.
- Voor kopers verandert er op korte termijn weinig, maar 2nm-chips met GAA beloven efficiëntere laptops, telefoons en AI-servers.
GAA nanosheet-transistoren: waarom FinFET plaatsmaakt voor de transistor van de toekomst
Elke nieuwe generatie chips draait om dezelfde vraag: hoe krijgen we meer rekenkracht in minder ruimte, zonder dat stroomverbruik en warmte uit de hand lopen? Meer dan tien jaar was het antwoord de FinFET, de architectuur die de industrie sinds het 22nm-tijdperk vooruit hielp. Maar rond 3nm en 2nm stuit de FinFET op zijn grenzen. De opvolger is de gate-all-around (GAA) nanosheet-transistor, waarbij de gate het kanaal volledig omsluit. Samsung, TSMC en Intel hebben er miljarden in geïnvesteerd en de eerste chips zitten al in productie.
Van vlak naar vin: een korte geschiedenis van de transistor
De klassieke planaire transistor had een platte gate bovenop een vlak kanaal. Zolang transistoren groot genoeg waren, werkte dat prima. Onder de 30nm verloor de gate de controle: elektronen lekten weg, ook als de transistor “uit” stond.
De oplossing kwam in 2012, toen Intel met het 22nm-proces de FinFET introduceerde. Het kanaal staat rechtop als een vin (fin), met de gate er overheen gevouwen. De gate raakt het kanaal aan drie zijden, wat de controle sterk verbetert en lekkage terugdringt. De hele industrie volgde en de FinFET droeg de chipwereld door de 16nm-, 10nm-, 7nm- en 5nm-generaties heen.
Maar ook de FinFET heeft een plafond. Bij 3nm en 2nm worden de vinnen zo smal dat drie zijden controle niet meer volstaan: de lekkage neemt weer toe en de efficiëntiewinst stagneert. Daarom schakelt de industrie over op gate-all-around.
Wat is een GAA nanosheet-transistor?
Bij een GAA-transistor omsluit de gate het kanaal volledig, aan alle vier de zijden. Het kanaal bestaat uit één of meer dunne, horizontale nanosheets: platte linten silicium die als lagen boven elkaar zijn gestapeld, met gate-materiaal er helemaal omheen.
Zo werkt de gate-all-around-structuur
De volledige omsluiting geeft de gate superieure elektrostatische controle. Ten eerste daalt de lekkage in de uit-stand, omdat de gate het kanaal effectiever kan “afknijpen”. Ten tweede werkt de transistor op een lagere werkspanning, wat direct scheelt in het stroomverbruik. Ten derde kan er in de aan-stand meer stroom door het kanaal, omdat de gezamenlijke breedte van alle sheets groter is dan bij een enkele vin.
Een slimme extra eigenschap is dat de breedte van de nanosheets per transistor te variëren is. Brede sheets leveren veel stroom voor snelle logica, smalle sheets zijn zuiniger. Ontwerpers balanceren zo binnen één chip tussen snelheid en efficiëntie, wat met de vaste vinnen van een FinFET veel minder flexibel was.
FinFET versus GAA: de verschillen op een rij
De onderstaande tabel zet de twee architecturen naast elkaar. De exacte cijfers verschillen per fabrikant, maar de richting van de verschillen is in de hele industrie hetzelfde.
| Eigenschap | FinFET | GAA nanosheet |
|---|---|---|
| Gate-contact met kanaal | Drie zijden | Vier zijden (volledige omsluiting) |
| Kanaalvorm | Verticale vin | Gestapelde horizontale sheets |
| Controle over lekkage | Goed tot circa 5nm | Uitstekend tot 2nm en kleiner |
| Werkspanning | Hoger, minder schaalbaar | Lager, beter schaalbaar |
| Flexibiliteit per transistor | Vaste vinbreedte | Variabele sheetbreedte |
| Productiecomplexiteit | Volwassen, hoge opbrengst | Nieuw, complexer en duurder |
| Gebruikt in processen | 22nm tot en met 3nm (TSMC) | 3nm (Samsung), 2nm en kleiner |
De drie giganten: TSMC, Samsung en Intel
Alle drie de grote chipfabrikanten zetten in op GAA, elk met een eigen naam, planning en strategie.
Samsung: de pionier met MBCFET
Samsung nam als eerste de sprong en introduceerde GAA al op het 3nm-proces (SF3), onder de merknaam MBCFET. Daarmee kocht het bedrijf vroege productie-ervaring, terwijl TSMC op 3nm nog vasthield aan FinFET. Samsung benadrukt de variabele sheetbreedte: per transistor een keuze voor snelheid of zuinigheid. Inmiddels produceert Samsung het SF2-proces (2nm), eveneens met GAA.
TSMC: voorzichtig, maar dominant met N2
TSMC koos de voorzichtige route en perste het maximale uit FinFET op de N3-familie (3nm). Pas met N2 (2nm) stapt ook TSMC over op nanosheets. Die strategie betaalt zich uit in betrouwbaarheid: analisten melden voor N2 opbrengsten van ruim 60 tot 70 procent, de hoogste in de industrie. Als grootste chipfabrikant brengt TSMC de technologie naar de grootste volumes, van smartphonechips tot datacenterprocessoren. De massaproductie draait sinds de tweede helft van 2025.
Intel: RibbonFET plus PowerVia op 18A
Intel zet met het 18A-proces (1,8nm-klasse) alles op zijn eigen GAA-variant, RibbonFET, gecombineerd met PowerVia: de stroomvoorziening verhuist naar de achterkant van de wafer. Door voedings- en signaalbedrading te scheiden, daalt de spanningsval en ontstaat er meer ruimte voor signaalroutes, wat hogere kloksnelheden mogelijk maakt. Intel gebruikt 18A onder meer voor datacenterchips (Clearwater Forest) en mobiele processoren (Panther Lake), en werkt al aan de opvolger 18A-P.
Voordelen én uitdagingen van GAA
De voordelen zijn duidelijk: minder lekkage, lagere spanning, meer stroom per transistor en flexibelere ontwerpen. Voor datacenters, waar AI-servers enorme hoeveelheden elektriciteit verbruiken, is die efficiëntiewinst geen luxe maar noodzaak. Ook in laptops en telefoons betekent het langere accuduur en minder warmte.
Maar de productiecomplexiteit is de keerzijde. Voor de nanosheets worden afwisselende lagen silicium en silicium-germanium gestapeld, waarna het germanium selectief wordt weggeëtst zodat de silicium-sheets vrijkomen. Die nanosheet-release is extreem kritisch: één mislukte sheet betekent een defecte transistor. Daarnaast zijn inner spacers nodig om de gate te isoleren van source en drain, en zorgen de grotere gate-oppervlakken voor extra parasitaire capaciteit, die een deel van de snelheidswinst kan opslokken. GAA-wafers zijn daardoor duurder en de opbrengst (yield) ligt aanvankelijk lager dan bij een volwassen FinFET-proces.
Oordeel: praktisch koopadvies
Moet je als koper actief op zoek naar chips met GAA-transistoren? Op korte termijn niet: de architectuur zit onder de motorkap en fabrikanten adverteren er zelden mee. Wat je wél merkt, zijn de gevolgen: elke nieuwe generatie apparaten op 3nm- en 2nm-processen wordt zuiniger en sneller, mede dankzij deze transistoren.
Voor wie binnenkort een apparaat koopt, is het advies simpel. Koop op basis van onafhankelijke tests van prestaties en accuduur, niet op basis van het transistorlabel. Een goed ontworpen chip op een volwassen FinFET-proces verslaat nog altijd een matig ontwerp op een nieuw GAA-proces. Kijk je naar de langere termijn, bijvoorbeeld een laptop die vijf jaar mee moet, dan is een chip op een GAA-proces (TSMC N2, Samsung SF2 of Intel 18A) de toekomstbestendige keuze: de efficiëntiewinst is structureel, niet incidenteel.
De transistor is de afgelopen vijftig jaar al meerdere keren opnieuw uitgevonden, van planair naar FinFET en nu naar gate-all-around. Elke keer leek de miniaturisatie vast te lopen, en elke keer vond de industrie een nieuwe structuur. Met nanosheets, RibbonFET en MBCFET is het volgende hoofdstuk begonnen — en de gebruikers winnen: meer rekenkracht, minder warmte, langere accuduur.