日本量產(chǎn)2nm芯片的幻想

今年7月，日經(jīng)報(bào)道指出，日本將與美國(guó)合作，在年底前開設(shè)2nm芯片研發(fā)中心，該設(shè)施將由計(jì)劃今年首次亮相的日本新芯片研究機(jī)構(gòu)建立。日本政府將為此提供資金支持，協(xié)助日本企業(yè)研究2nm及以下的半導(dǎo)體制造技術(shù)，目標(biāo)是最早在2025年開始在國(guó)內(nèi)量產(chǎn)2nm芯片。

雖然日本去年已經(jīng)獲得與臺(tái)積電的合作關(guān)系，但它明顯志不在此。日本技術(shù)經(jīng)營(yíng)顧問、精密加工研究所所長(zhǎng)湯之上隆對(duì)日本量產(chǎn)2nm的報(bào)道進(jìn)行了解讀。

他認(rèn)為日本此前新增設(shè)的修正法對(duì)臺(tái)積電熊本工廠等進(jìn)行補(bǔ)貼也未能讓日本半導(dǎo)體的市占率提高。如果像美國(guó)那樣強(qiáng)行推行以自我為中心的芯片政策，可能會(huì)讓其他國(guó)家的半導(dǎo)體廠商背離自己。另外，如果由什么都不懂的日本職業(yè)官員來制定政策，就完全沒有效果。再加上“日本將從2025年開始量產(chǎn)2nm”，這簡(jiǎn)直是讓人貽笑大方的政策。

以下為編譯全文：《2nm大規(guī)模生產(chǎn)是如此困難，如此不現(xiàn)實(shí)，這是加強(qiáng)日本半導(dǎo)體制造業(yè)的虛假措施》

01 美國(guó)的半導(dǎo)體強(qiáng)化法案

2022年8月9日，美國(guó)總統(tǒng)拜登簽署了促進(jìn)半導(dǎo)體國(guó)內(nèi)制造的芯片法案，該法案正式生效。原以為美國(guó)的半導(dǎo)體制造將得到強(qiáng)化，沒想到在美國(guó)建立半導(dǎo)體工廠和研發(fā)中心的臺(tái)積電、三星、SK海力士陷入了是否應(yīng)該領(lǐng)取補(bǔ)助金的兩難境地。

該法案中，包括527億美元用于美國(guó)半導(dǎo)體制造和研究開發(fā)的資金投入等，其中包括390億美元用于美國(guó)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體工廠的申辦補(bǔ)助金(其中20億美元用于汽車以及用于防御系統(tǒng)的傳統(tǒng)芯片)、研究開發(fā)和人才開發(fā)的132億美元，用于國(guó)際信息通信技術(shù)安全和半導(dǎo)體供應(yīng)鏈活動(dòng)的5億美元。

該補(bǔ)助金的領(lǐng)取對(duì)象如圖1所示。英特爾將在亞利桑那州和俄亥俄州分別投資200億-300億美元建設(shè)處理器和晶圓代工廠。被美國(guó)政府申辦的臺(tái)積電在亞利桑那州投資120億美元建設(shè)5nm晶圓代工廠。三星宣布，將在得克薩斯州投資170億美元建設(shè)尖端晶圓代工廠。SK集團(tuán)還計(jì)劃在半導(dǎo)體研發(fā)中心和清潔能源等領(lǐng)域投資220億美元。

圖1美國(guó)芯片法案中獲得補(bǔ)助金的候選廠商

據(jù)英特爾等公司公布的數(shù)據(jù)顯示，每100億美元就能獲得30億美元的補(bǔ)助金。因此，這些半導(dǎo)體廠商無(wú)論如何都希望通過芯片法案獲得補(bǔ)助金。

02 芯片法案補(bǔ)貼的弊端

如果在半導(dǎo)體領(lǐng)域投入527億美元資金，美國(guó)的半導(dǎo)體制造就會(huì)得到加強(qiáng)嗎？這是一個(gè)值得深思的問題。芯片法案中明確提到，接受補(bǔ)助的企業(yè)被限制在中國(guó)等對(duì)美國(guó)國(guó)家安全構(gòu)成威脅的特定國(guó)家擴(kuò)建或新建某些先進(jìn)半導(dǎo)體的新產(chǎn)能，期限為10年，違反者可能需要全額退還補(bǔ)助金。

根據(jù)這條直指中國(guó)的限制措施，在南京生產(chǎn)40-16nm芯片的臺(tái)積電、在西安生產(chǎn)3D NAND的三星、在無(wú)錫和大連生產(chǎn)DRAM和3D NAND的SK海力士如果接受補(bǔ)助金，那么10年內(nèi)不能在上述中國(guó)工廠進(jìn)行投資。

其中，臺(tái)積電在南京工廠占公司業(yè)務(wù)占比較小，但三星西安生產(chǎn)的3D NAND占據(jù)公司約40%，SK海力士在大連生產(chǎn)的3D NAND占30%，無(wú)錫生產(chǎn)的DRAM占50%左右。

因此，三星和SK海力士如果接受補(bǔ)助金，就無(wú)法投資中國(guó)存儲(chǔ)工廠，不僅無(wú)法生產(chǎn)最先進(jìn)的存儲(chǔ)芯片，甚至無(wú)法擴(kuò)產(chǎn)。這對(duì)于存儲(chǔ)制造商而言是致命的。當(dāng)然會(huì)有人說：“既然如此，不領(lǐng)補(bǔ)助金不就行了？”，但是在成本昂貴的美國(guó)建立半導(dǎo)體工廠和研發(fā)中心，拿不到這補(bǔ)助金也是一種巨大的打擊。

此外，美國(guó)欲在這條限制措施上進(jìn)一步升級(jí)。

03 美國(guó)對(duì)中國(guó)的進(jìn)一步限制

目前，美國(guó)已將中芯國(guó)際列入實(shí)體清單，禁止出口生產(chǎn)10nm及以下半導(dǎo)體所需的物品。因此，荷蘭ASML最先進(jìn)的EUV設(shè)備被禁止對(duì)其出口。這一規(guī)定不僅適用于中芯國(guó)際，也適用于SK海力士的無(wú)錫工廠。

但是根據(jù)7月6日彭博社的一篇報(bào)道，美國(guó)政府正對(duì)ASML和日本的尼康施壓，要求其禁止向中國(guó)出口EUV光刻機(jī)外，還要求禁止出口更早一代的DUV光刻機(jī)。另外，彭博社8月1日?qǐng)?bào)道指出，美國(guó)已向Lam Research和KLA發(fā)出禁令，禁止向中國(guó)出口14nm以下制程設(shè)備，禁令也遲早會(huì)波及到應(yīng)用材料和東京電子。

美國(guó)政府對(duì)半導(dǎo)體制造設(shè)備的出口限制會(huì)更加嚴(yán)格，這樣一來，無(wú)論是否接受補(bǔ)助金，臺(tái)積電、三星、SK海力士都無(wú)法在中國(guó)投資建廠，陷入極其艱難的境地。

總之，美國(guó)對(duì)中國(guó)大陸的半導(dǎo)體限制非常徹底。但是，這種嚴(yán)格的規(guī)定有可能招致中國(guó)臺(tái)灣和韓國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)的背離。在我看來，美國(guó)的嚴(yán)格管制過于以自我為中心。

04 日本修改法案向半導(dǎo)體工廠投入補(bǔ)助金

經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)政策動(dòng)機(jī)如圖2所示。該圖刊登在經(jīng)產(chǎn)省于2021年6月第4次公開的“半導(dǎo)體數(shù)字產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略”的“半導(dǎo)體戰(zhàn)略”文件的第7頁(yè)。

圖2經(jīng)產(chǎn)省半導(dǎo)體政策的動(dòng)機(jī)

如圖所示，1988年日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)占有率為50.3%，2019年下降到10%，照此下去，2030年幾乎會(huì)下降到0%。對(duì)此有危機(jī)感的經(jīng)產(chǎn)省，為了停止市場(chǎng)占有率的下降，使其轉(zhuǎn)為上升，立案對(duì)新建、擴(kuò)建半導(dǎo)體工廠投入補(bǔ)助金的修正法。該修正案于2021年12月20日在參議院全體會(huì)議上，因執(zhí)政黨等多數(shù)贊成而獲得通過。

根據(jù)該修正法，臺(tái)積電熊本工廠于2022年6月17日得到最多4760億日元的補(bǔ)貼。另外，7月26日，鎧俠和西部數(shù)據(jù)的四日市工廠得到最多929億日元的補(bǔ)貼(圖3)。美光的廣島工廠尚未決定投資補(bǔ)貼。

圖 3 半導(dǎo)體工廠新擴(kuò)建法下的補(bǔ)償補(bǔ)貼投入

那么，如果臺(tái)積電熊本工廠和鎧俠、西部數(shù)據(jù)四日市工廠得到補(bǔ)貼，日本半導(dǎo)體的市場(chǎng)占有率會(huì)上升嗎?

05 補(bǔ)貼會(huì)增加日本市場(chǎng)份額嗎？

臺(tái)積電熊本工廠是一個(gè)能夠月產(chǎn)5.5萬(wàn)片28/22至16/12nm邏輯芯片的代工廠。如果所有將生產(chǎn)外包給該廠的只專攻涉及的無(wú)晶圓廠IC設(shè)計(jì)公司（fabless）都是日本公司，那么日本在半導(dǎo)體市場(chǎng)的份額將相應(yīng)增加。

然而，事實(shí)上日本幾乎沒有無(wú)晶圓廠IC設(shè)計(jì)公司：雖然半導(dǎo)體網(wǎng)站SEMILINKS顯示，日本有70家此類公司。然而，細(xì)看網(wǎng)站內(nèi)容就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些信息主要是產(chǎn)品介紹和產(chǎn)品信息，沒有對(duì)公司業(yè)務(wù)的描述。實(shí)際上，日本大約只有五家公司真正從事半導(dǎo)體設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)，包括Zain、MegaChips、Magna Design、Logic Research和Socionext。與此同時(shí)，美國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣擁有數(shù)百家無(wú)晶圓廠IC設(shè)計(jì)公司，中國(guó)則有近3000家。

那么，哪些公司會(huì)將邏輯芯片的生產(chǎn)外包給臺(tái)積電熊本工廠呢？索尼和電裝是股東，所以這兩家公司可能會(huì)進(jìn)行外包。然而，光這兩家公司無(wú)法填補(bǔ)該廠每月5.5萬(wàn)片晶圓的生產(chǎn)能力。在其每月生產(chǎn)的5.5萬(wàn)片晶圓中，可能最多只有1到2萬(wàn)片被運(yùn)往日本，其余的將由其他國(guó)家外購(gòu)。所以，即便日本納稅人出資補(bǔ)貼該廠，也不能保證它會(huì)優(yōu)先考慮日本的生產(chǎn)外包。

鎧俠（Kioxia）和西部數(shù)據(jù)（WD）的四日市工廠又如何呢？這兩家公司共同出資生產(chǎn)NAND，然后將NAND對(duì)半分，采取各自為政的風(fēng)格。鎧俠是一家日本公司，而西部數(shù)據(jù)則是一家美國(guó)公司。因此，即使對(duì)四日市工廠投入補(bǔ)貼，對(duì)日本的市場(chǎng)份額也只有一半的貢獻(xiàn)。

綜上所述，對(duì)臺(tái)積電熊本工廠和鎧俠及西部數(shù)據(jù)的四日市工廠的補(bǔ)貼幾乎不會(huì)增加日本的市場(chǎng)份額，即使有，也可以忽略不計(jì)。

06 令人發(fā)笑的“2nm”量產(chǎn)宣言

據(jù)日經(jīng)新聞?lì)}為 《日本和美國(guó)將舉行首次經(jīng)濟(jì)版2+2，合作進(jìn)行半導(dǎo)體批量生產(chǎn)》 的文章稱，7月29日兩國(guó)政府在美國(guó)首都華盛頓舉行了 "經(jīng)濟(jì)版2+2 "的第一次會(huì)議，在此框架內(nèi)，日本和美國(guó)將共同開發(fā)2nm芯片。日本將在今年年底前成立一個(gè)新的研究機(jī)構(gòu)，暫稱為下一代半導(dǎo)體制造技術(shù)開發(fā)中心，并將于2025年在日本實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

雖然經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）一直在制定不相干和荒謬的政策（這也是日本半導(dǎo)體行業(yè)如此混亂的原因），但 "日本和美國(guó)將聯(lián)合開發(fā)2nm技術(shù)，日本將在2025年開始大規(guī)模量產(chǎn) "是一個(gè)十分可笑、讓人目瞪口呆的政策。這是一個(gè)不可能實(shí)現(xiàn)的政策，甚至認(rèn)真討論它都是可笑的。

而經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）似乎對(duì)這個(gè)可笑政策很重視。在8月10日于赤坂城際會(huì)議上舉行的“Flash Forward Japan Semiconductor Memory Innovation Symposium”上，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省IT產(chǎn)業(yè)主管西川和美以 "日本半導(dǎo)體的技術(shù)現(xiàn)狀 "為題討論了該內(nèi)容。

圖4 日本和美國(guó)聯(lián)合開發(fā)2nm，2025年起在日本大規(guī)模生產(chǎn)2nm？
資料來源：Kazumi Nishikawa（經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省），"日本半導(dǎo)體的技術(shù)現(xiàn)狀"，F(xiàn)lash Forward日本半導(dǎo)體存儲(chǔ)器創(chuàng)新研討會(huì)，2022年8月10日

07 2nm的困難是什么？

半導(dǎo)體的尺寸正以每代縮小70%的規(guī)律發(fā)展。在圖4中，日本未能超越45nm，并且之后還將推進(jìn)到32nm、22nm、16/14nm、10nm、7nm、5nm、3nm和2nm。

以日本勉強(qiáng)可以生產(chǎn)的45nm來看，2nm是領(lǐng)先九代的微型化水平。這中間的跨越有多難呢？

首先，只要把芯片微型化推進(jìn)一代，必然會(huì)發(fā)現(xiàn)問題，并必須通過各種反復(fù)試驗(yàn)來解決這些問題。晶體管形狀在28/22nm之前是平面的，從16nm開始的FinFET和從2nm開始的Gate-All-Around（GAA）的變化，如果不采用新的結(jié)構(gòu)，就無(wú)法達(dá)到預(yù)期的性能。而且，除了晶體管之外，還有許多其他因微型化而被發(fā)現(xiàn)的問題。

例如，英特爾在2015年前后一直是微型化的領(lǐng)跑者，但在2016年其未能從14nm推進(jìn)到10nm，并且在接下來的五年里依舊未能推出10nm（圖5）。2021年，成為第八任首席執(zhí)行官的Patrick Gelsinger 將10nm改名為“Intel 7（i7）”，將采用先進(jìn)光刻技術(shù)EUV的7nm改名為“Intel 4（i4）”，但i4目前正在艱難地推進(jìn)。

圖5：邏輯芯片和代工廠商的路線圖
來源：https://semiwiki.com/forum/index.php?threads/revenue-per-wafer-climbs-as-demand-surges-for-5nm-7nm-ic-processes.13843/

2019年，三星與臺(tái)積電同時(shí)推出7nm，然后是6nm、5nm、4nm和3nm，但是似乎只有數(shù)字在進(jìn)步，5nm之后的良品率卻沒有絲毫提高。到了比臺(tái)積電更早采用GAA結(jié)構(gòu)的3nm，情況就更糟了，并且有傳言說三星已開始實(shí)踐2nm技術(shù)。

即使是走在行業(yè)最前列的臺(tái)積電，最初也只是計(jì)劃在兩年內(nèi)往前推進(jìn)一代。但3nm并沒有按計(jì)劃啟動(dòng)，目前已花了兩年半的時(shí)間，到了2022年下半年才終于到達(dá)可以大規(guī)模生產(chǎn)的邊緣。就目前來看，采用新的GAA晶體管結(jié)構(gòu)的2nm工藝需要三年以上的時(shí)間也不足為奇了。因此，其量產(chǎn)日期最早將是2025年，也可能會(huì)推遲到2026年。

這將意味著 "日本將從2025年開始大規(guī)模生產(chǎn)2nm"的這個(gè)設(shè)想可能比臺(tái)積電更早。以目前45nm的能力跳過九代，并且比臺(tái)積電更早量產(chǎn)2nm是多么不現(xiàn)實(shí)。

08 不僅僅是“初中生和大學(xué)生的區(qū)別”

在日經(jīng)新聞?dòng)?022年8月3日發(fā)布的 Deep Insight 中報(bào)道，總公司評(píng)論員中山敦志用 "平面型是初中生，F(xiàn)inFET是高中生，GAA是大學(xué)生 "的比喻表達(dá)了2nm的難度。

然而，兩者并不可一概而論。因?yàn)?，雖然一個(gè)天才少年是有可能從初中直接跳到一流大學(xué)，但半導(dǎo)體卻不可能從45nm直接跳到2nm，一口氣跳九代。

將半導(dǎo)體微型化每代推進(jìn)70%的難度是指數(shù)級(jí)的：20多年前，我經(jīng)歷了4M、16M、64M和256M DRAM的開發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)，每一代人都是在技術(shù)發(fā)展的鋼絲上行走。例如，在從64M到256M的開發(fā)過程中，有幾次難度大到我懷疑256M達(dá)到的可能性。這就是推進(jìn)微型化的難度。

為了更好地回答"從45nm的角度來看，2nm意味著什么？"。假設(shè)一個(gè)小學(xué)棒球少年夢(mèng)想將來成為一名大聯(lián)盟球員，像大谷翔平（美國(guó)職棒大聯(lián)盟洛杉磯天使隊(duì)的一位球員，也是現(xiàn)代職棒中罕見的投打雙修「二刀流」選手）那樣打出技藝高超的棒球。對(duì)于一個(gè)棒球男孩來說，有夢(mèng)想和打棒球當(dāng)然是好事。但是，如果他說："三年后，我將在大聯(lián)盟中打二刀流！"怎么辦？自然，這是不可能的，所以他會(huì)說："首先，我會(huì)在甲子園打球，然后我會(huì)被選入日本職業(yè)棒球隊(duì)，在那里打得好之后，我會(huì)考慮轉(zhuǎn)入大聯(lián)盟。"

45nm和2nm的差距，就如同棒球少年和大谷翔平。

09  用EUV做什么？

為什么日本從2025年量產(chǎn)2nm是不可能的？我們來談?wù)劕F(xiàn)實(shí)而非感性的話題。要實(shí)現(xiàn)2nm的量產(chǎn)，ASML的EUV光刻機(jī)是不可或缺的。

預(yù)計(jì)到2022年底，臺(tái)積電將擁有100臺(tái)EUV光刻機(jī)，三星擁有35臺(tái)，英特爾擁有16臺(tái)（圖6），但是這三家企業(yè)希望獲得更多的EUV光刻機(jī)。此外，除上述三家企業(yè)外，SK海力士、美光、南亞科技等DRAM制造商也計(jì)劃導(dǎo)入EUV。

圖6 臺(tái)積電、三星、英特爾的EUV設(shè)備擁有量（預(yù)測(cè)）

ASML從2016年開始供應(yīng)EUV（圖7），數(shù)量穩(wěn)步增加：2016年5臺(tái)，2017年10臺(tái)，2018年18臺(tái)，2019年26臺(tái)，2020年31臺(tái)，2021年42臺(tái)，2022年55臺(tái)（注意，今年可能因零部件供應(yīng)不足，最多只能交付40臺(tái)）。

但到截止2020年年中，積壓訂單（接受但無(wú)法交付）數(shù)量達(dá)56臺(tái)，今年預(yù)計(jì)將達(dá)到100臺(tái)。

總之，即使訂購(gòu)EUV光刻機(jī)，也很難如期到手。如果日本以2025年量產(chǎn)2nm為目標(biāo)的話，勢(shì)必在此之前擁有并熟練使用EUV光刻機(jī)。即使能對(duì)普通的棒球少年魔改成為大谷翔平，如果沒有EUV光刻機(jī)，2nm的量產(chǎn)怕是天方夜譚。

作者簡(jiǎn)介：湯之上隆

湯之上隆先生為日本精密加工研究所所長(zhǎng)，曾長(zhǎng)期在日本制造業(yè)的生產(chǎn)第一線從事半導(dǎo)體研發(fā)工作，2000年獲得京都大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，之后一直從事和半導(dǎo)體行業(yè)有關(guān)的教學(xué)、研究、顧問及新聞工作者等工作，曾撰寫《日本“半導(dǎo)體”的失敗》、《“電機(jī)、半導(dǎo)體”潰敗的教訓(xùn)》、《失去的制造業(yè)：日本制造業(yè)的敗北》等著作。