2nm那么难，日本成吗？

来源:半导体行业观察发布时间:2022-09-07387浏览

美国于近日确立了促进国内半导体生产的法案“CHIPS and Science Act（CHIPS法案）”，但三星电子（Samsung Electronics）、SK海力士（SK Hynix）等韩国半导体厂家是否接受美国政府的资金援助，还是未知数。

此外，日本政府为新设半导体工厂的企业，提供补助金，这笔补助金被用在了台湾TSMC的熊本工厂、铠侠（原东芝存储半导体）美国西部数据（以下简称为“WD”）的四日市工厂。但是，即使以上企业获得了日本政府的资金补助，日本的半导体全球市占率也不会有所提高。

另外，日本经济产业省曾发布新闻称，在2024年之前日本和美国合作研发2纳米逻辑半导体，并计划在日本量产。而笔者认为，这是完全不可能的，简直是天大的笑话！

笔者将在下文中详细分析以上问题。下文为笔者最初的感想。

对于美国的“以本国利益为中心的政策”，可能会引起其他国家半导体背离美国。（或许美国是为了把补助金仅支援给英特尔等美国本土半导体厂家。）

同时，即使日本的“不谙世事”的“职业官僚们”确立强化半导体生产的方案，也不会有任何效果。此外，甚至日本政府还提出了“日本要在2025年开始量产2纳米”等极具搞笑意义的方案，笔者认为这是非常滑稽的。真是一桩世界级的丑闻，笔者真心希望不要确立以上法案。

美国试图通过“CHIPS法案”强化半导体生产

为了强化美国本土的半导体生产，2022年8月9日，美国总统拜登签署“CHIPS法案”，该法案正式生效。美国试图通过此法案强化美国半导体生产。在美国设有半导体工厂和研发（RD）中心的TSMC、三星电子、SK海力士到底是不是应该接受美国政府的援助呢？

该“CHIPS法案”指出，投资共527亿美元（约人民币3636亿元）用于美国的半导体生产和研究开发，明细如下，投资约390亿美元（约人民币2691亿元）用于吸引外资赴美建半导体工厂（其中20亿美元用于支援车载、国防系统等方向的传统型半导体生产），132亿美元（约人民币910亿元）用于研究开发和培养人才，5亿美元（约人民币35亿元）用于国际信息通信技术安防和半导体供应链。

可以享受以上资金补助的半导体厂家如下图1所示。美国英特尔（Intel）计划分别在亚利桑那州、俄亥俄州投资200亿一一300亿美元（约人民币1380亿元一一2070亿元），用于建设生产处理器的工厂和Foundry工厂。受到美国政府邀请的TSMC在美国亚利桑那州投资120亿美元（约人民币828亿元），用于建设5纳米Foundry工厂。对TSMC“紧追猛赶”的三星电子也不甘落后，在美国德克萨斯州投资170亿美元（约人民币1173亿元），用于建设尖端Foundry工厂。此外，SK海力士集团计划投资约220亿美元（约人民币1518亿元）在美国建设半导体研发中心和封装测试相关工厂。

图1：有望享受美国“CHIPS法案”补助金的半导体厂家。

（图片出自：jbpress）

据英特尔透露，假设美国政府共有100亿美元的支援计划，我们可以获得30亿美元的补助。因此，以上半导体厂家都在试图获得“CHIPS法案”中的补助金。

“CHIPS法案”补助金的利害

要说，美国将527亿美元（约人民币3636亿元）的补助金投入到半导体产业后，美国的半导体生产能否得到改善呢？回答这个问题之前，先看看另外一个问题。美国“CHIPS法案”中明确提到，“CHIPS法案”是为了削减成本、创造更多就业机会、强化半导体供应链、与中国抗衡。可以看出该法案带有明显的“保护性质（Guardrail）”。

依据该法案，如果TSMC、三星电子、SK海力士一旦享受美国“CHIPS法案”的补助，将无法在以下中国工厂进行投资，TSMC南京工厂（40纳米一一16纳米，生产逻辑半导体）、三星中国西安工厂（3D NAND）、SK海力士中国无锡工厂（DRAM）和中国大连工厂（原属于英特尔，3D NAND）。

其中，TSMC中国南京工厂份额在TSMC集团的占比较小；而三星电子西安工厂生产的3D NAND占三星集团的约40%；SK海力士大连工厂生产的3D NAND占其30%、无锡工厂生产的DRAM占其50%。

因此，一旦三星电子和SK海力士一旦享受了“CHIPS法案”的“福利”，将无法对位于中国的存储半导体工厂增加投资，不仅无法生产出最先进的存储半导体，连扩产也无法进行。这对存储半导体而言，是“致命打击”！

可能会有读者问：“必须要接受美国的补助金吗”？对于在成本极其高昂的美国建设半导体工厂、研发中心的企业而言，不接受数十亿美元的补助，简直是一个“沉重的打击”！

此外，美国“CHIPS法案”中还规定了其他更苛刻的条件。

美国试图进一步压制中国

如今，美国把中国大陆最大的Foundry工厂放入其EL实体清单，禁止向其出口可生产10纳米以下半导体的相关设备。因此，荷兰ASML的最尖端的可用于10纳米以下细微化加工的EUV曝光设备无法向其出口。不仅仅是中国大厂，SK海力士也无法在无锡工厂将EUV设备应用于尖端DRAM的生产。

据2022年7月6日彭博社报道，不仅仅是EUV光刻机，美国政府正试图对荷兰ASML和日本尼康施加压力，以禁止他们向中国出口ArF液浸光刻机。

此外，据2022年8月1日彭博社报道，为了阻碍中国生产28纳米半导体（其实是16纳米/14纳米以及以上代际），美国政府已经向美国的设备厂家发出正式文件，禁止他们向中国出口相关设备。从上述报道来看，未来美国的“禁止出口范围”很有可能波及到美国应用材料公司和日本东京电子株式会社。

因此，不论TSMC、三星电子、SK海力士是否接受美国政府“CHIPS法案”的资金补助，都将无法在中国工厂进行投资，同时都将陷入困境。

总而言之，美国是希望对中国进行彻头彻尾地出口限制。美国如此严格的限制很有可能引起台湾地区、韩国的半导体厂家对美国失去信心。笔者认为美国的出口限制过于严格、过于考虑美国利益！

日本政府颁布法案支援半导体工厂建设

人们普遍认为日本经济产业省依据下图2，制定了半导体支援政策。下图2在日本经济产业省“半导体·数字化产业战略（日本政府于2021年6月4日公布）”网站的“半导体战略”文件第七页。

图2：日本经济产业省制定半导体支援战略的依据。

（图片出自：jbpress）

如上图所示，1988年日本半导体产业全球占比50.3%，2019年下滑至10%，照此发展下去，到2030年将会萎缩至0%。对此，经济产业省倍感危机，为了防止日本半导体占比的低下，确立了为新建半导体工厂提供资金支持的法案。2021年12月20日，日本参议院全体会议中，执政党多数赞成并通过了次法案。

基于该法案，日本政府于2022年6月17日决定对TSMC熊本工厂最大支援4760亿日元（约人民币280亿元）。此外，日本政府还在2022年7约26日决定对铠侠和WD的四日市工厂给与最大929亿日元（约人民币55亿元）的资金补助。然而，还没有决定是否对镁光的广岛工厂进行资金援助。

那么，对TSMC熊本工厂、铠侠和WD的四日市工厂进行资金援助后，日本的半导体全球占比真的会提高吗？

图3：日本政府针对新建半导体工厂，给与资金补助。

（图片出自：jbpress）

能否通过补助金，提高日本的半导体全球市占率？

TSMC熊本Foundry工厂，28/22纳米一一16/12纳米逻辑半导体方向晶圆的约产能为5.5万片。如果委托TSMC生产的的芯片设计公司（Fabless）都是日本企业，那么日本的半导体全球市占率有望相应地提高。

但是，日本几乎没有Fabless企业。从SEMILINKS这一半导体相关网站来看，日本的Fabless仅有70家左右。此外，几乎没有任何关于这些企业的产品介绍、产品信息，可以说，在日本从事芯片设计的Fabless企业仅有以下五家企业：Thine电子株式会社（Thine Electronics,Inc.)、Mega Chips株式会社（MegaChips Corporation）、Mega Design Net株式会社（Magna Design Net, Inc.）、Logic Research株式会社、索喜株式会社（Socionext)。（另外，美国和台湾地区有数百家Fabless企业，中国大陆有近3000家。）

那么，究竟是什么样的企业会委托TSMC熊本工厂生产逻辑半导体呢？由于索尼和电装是熊本的股东，这两家可能会成为其客户。但是，这两家客户的订单应该无法填满月产5.5万片的产能。在TSMC熊本工厂月产5.5万片的晶圆中，最多1万一一2万片是提供给日本客户，剩余部分应该是提供给其他诸多海外客户。尽管TSMC熊本工厂的“原始资本金”来自于日本的税收，而却不一定优先为日本客户供货。

那么，铠侠和WD的四日市工厂又如何呢？铠侠WD分别投资50%的设备生产NAND，生产的NAND也是各取50%。铠侠是日本企业、WD是美国企业。因此，即使对铠侠和WD的四日市工厂予以补助，对提高日本半导体占比的贡献也仅有50%。

综上所述，即使日本政府对TSMC熊本工厂、铠侠和WD的四日市工厂予以资金补助，也不会提高日本半导体全球市占率。（即使稍有提高，也是微乎其微。）

日本政府宣布量产“2纳米”，简直是可笑至极

2022年7月29日，日本经济新闻报道称，日本和美国在量产半导体方面展开合作，日本和美国两国政府于7月29日在美国首都华盛顿召开首次“经济2plus2”会议，会议中提到日本和美国共同研发2纳米半导体，日本在年底之前成立“新一代半导体生产技术研发中心（临时名称）”，计划在2025年于日本国内量产2纳米半导体。

至此，日本经济产业省已经制定了多个令人无法理解的政策（所以日本的半导体产业才一片混乱），“日本和美国合作研发2纳米半导体，日本自2025年开始量产2纳米半导体”一一这真是令人惊讶、震惊、不可思议！简直是一条愚蠢至极的策略，日本半导体行业的相关人员不禁要问：“这样的政策真的可以实施下去吗”？（那么，日本政府可能会说：“政府不插手了”，但是，媒体在号召大家进行评论，所以笔者发表一下自己的见解。）

由于日本经济产业省似乎是在很认真地发布了以上政策，真让人头疼！8月10日在赤坂Inter City Conference召开了“Flash Forward Japan 存储半导体·改革·座谈会”，日本经济产业省商务信息政策局总务科西川和见科长做了名为《Current state of the art in semiconductors in Japan》的主题演讲。（下图4）

图4：日本和美国合作研发2纳米，日本自2025年开始量产2纳米？？出自：西川和见（日本经济产业省），《Current state of the art in semiconductors in Japan》、“Flash Forward Japan 存储半导体·改革·座谈会”，2022年8月10日。

（图片出自：jbpress）

那么，为什么日本量产2纳米半导体是可笑至极呢？（虽然很难解释，但笔者还是要说明一下。）

2纳米半导体难在何处？

所谓半导体的“微缩化”，指的是每一代际缩小约70%。如下图4所示，日本自45纳米以后就不再有进步。45纳米以后为32纳米、22纳米、16/14纳米、10纳米、7纳米、5纳米、3纳米、2纳米。（西川先生的资料中遗漏了32纳米和10纳米，笔者进行了补充。）

自45纳米（日本可以生产）到2纳米，共跨越了九个代际的微缩化，这究竟有多难呢？

首先，微缩化每发展一个代际，肯定会出现诸多问题，为解决这些问题，需要进行多次试错实验。在28纳米/22纳米之前，晶体管的形状为“平面型（Planner）”，16纳米以后为FinFET，2纳米以后为GAA（Gate-All-Around，全环绕栅极晶体管），之所以有这么大的变化，是因为不改变晶体管结构，无法实现人们期待的性能。此外，随着微缩化发展，出现的问题也是各式各样。

比方说，在2015年之前以为被视为“微缩化头号玩家（Top Runner）”美国英特尔在2016年无法顺利从14纳米过度到10纳米，在后来的五年里，10纳米的启动一直不顺利（如下图5）。去年（2021年）Patrick Gelsinger就任英特尔第八代CEO，并将10纳米命名为“Intel 7（i7）”、7纳米（采用了最先进的EUV曝光设备）改为“Intel 4（i4）”。如今英特尔正在为实现i4而努力。

图5：逻辑半导体和Foundry厂家的技术蓝图。

（图片出自：jbpress）

TSMC和三星在同一时间（2019年）启动7纳米，后来，虽然仅仅能看到6纳米、5纳米、4纳米、3纳米等一系列数字的进步，但5纳米以后的良率很难提升，而且TSMC的3纳米采用了GAA构造，因此TSMC在3纳米代际陷入绝望，果断进军2纳米。

即使是独享最尖端技术的TSMC，虽然曾经每两年更替一个代际，但3纳米并未能按计划启动，耗费了两年半的时间，在2022年下半年，终于迎来了量产关键期。2纳米代际晶体管采用新型GAA，进入量产可能要花费两年半甚至三年的时间。因此，2纳米的量产时间最快在2025年、甚至2026年。

如果日本“自2025年开始量产2纳米”，那么，很有可能早于TSMC！从当下的45纳米，跨越九个代际，比TSMC早量产2纳米，这是多么异想天开的方案！

不仅仅是“中学生和大学生的差距”

在2022年8月3日的日本经济新闻“Deep Insight”中，针对2纳米的难度，Common Data的中山淳史先生做了以下比喻：“Planner型是中学生、FinFET是高中生、GAA是大学生”。

而笔者认为2纳米的难度不止如此。但是，偶尔也会有一些天才少年，直接从中学跳级升入大学，但是，对于半导体而言，直接从45纳米过渡到2纳米，跨越九个代际，是不可能的。

就半导体的微缩化发展而言，每个代际进步70%，其难度呈指数级增长。20多年前，笔者曾参与研发了4M、16M、64M、256M的DRAM研发和量产。每一代际的研发都像“走钢丝”一样困难。比方说，研发从64M过渡到256M时，由于过于困难，当时甚至出现了“莫非256M是做不到的？”这样的想法。半导体微缩化发展真的非常困难。

因此，下面的比喻可以回答“站在45纳米的角度来看，2纳米究竟是什么”这个问题！日本少年棒球联盟的青少年球员一般会有以下梦想：“未来，成为美国职业棒球联盟球员，像大谷翔平一样投打双修！”当然，青少年棒球球员怀有梦想是好事。但是，某个青少年球员希望“在三年后，进入美国职业棒球联盟，且投打双修！”当然这是不现实的。大家可能会对这个少年说：“先进入甲子园，然后以出色的成绩进入日本职业棒球团，最后有望进入美国职业棒球联盟。”

45纳米和2纳米的差距，就像青少年棒球队员与隶属于美国职业棒球联盟的、投打双修的大谷翔平的差距一样。

如何获得EUV？

最后，最后笔者再基于事实论述为何“日本计划从2025年开始量产2纳米”是不现实的。要量产2纳米，其中一款必须的设备是仅荷兰ASML可量产的尖端EUV曝光设备。

据预测，在2025年，TSMC拥有100台光刻机、三星有35台、英特尔有15台（下图6）。但是，这三家公司都希望有更多的EUV设备。除了以上三家，SK海力士、镁光、南亚等DRAM厂家也都希望购买更多的EUV设备。