想造2nm芯片？没那么简单

日本的土地上真的能再次生产出尖端逻辑半导体吗？

日本Rapidus和IBM于今年12月13日宣布称，为量产2纳米逻辑半导体，双方建立了合作关系。

IBM长年以来一直积极进行研发尖端半导体，且曾经在美国纽约州拥有自己的300毫米晶圆工厂（于2014年转给Global Foundries，后来，该工厂被安森美收购）。此外，IBM也在为自己品牌下的电脑生产所需半导体，同时也为客户提供尖端工艺的技术研发服务和晶圆代工服务。

IBM的尖端工艺技术研发服务作为一项Common Platform，通过创建通用型工艺技术和生产产线，有效降低了研发成本、并确保了第二供应商资源（Second Source）。最初，IBM、Chartered Semiconductor Manufacturing(现在的Global Foundries)、三星电子三家公司分别在各自的工厂里提供通用型研发工艺，以研发90纳米工艺（以及更先进的）。

后来，英飞凌和Freescale Semiconductor(现在的NXP Semiconductors)也参与研发32纳米制程。另外，IBM又联手索尼、东芝研发和生产了用于PLAYSTATION 3的“Cell”，后来，又和AMD合作研发了SOI相关技术。在去年（2021年），有报道指出，英特尔正与IBM开展在尖端半导体方面的研发。

综上所述，IBM与大多数半导体厂家有过合作经验。

研究开发和量产，完全是“两码事”

就以往的Common Platform而言，其实是“精确复制”(Copy Exactly)，即完全复制在IBM生产产线上构筑的工艺，并应用于其他“伙伴工厂”。因此，从初级阶段就获得了极高的良率。

但是，据笔者了解，即使是同样的设备、同样的工艺、同样的设备参数，也未必能获得同样的良率。当IBM、东芝、索尼在各自的半导体工厂生产Cell处理器时，据说只有IBM的良率最低。只能说当时的日本还在生产尖端逻辑半导体，所以掌握了相应的量产技术。

如上所述，在2014年以后，IBM开始逐步放弃量产产线，公司仅保留对尖端工艺的研发小组。我们从IBM的高级副总裁、 IBM研究院总监 Dario Gil先生在接受记者采访时的言谈中发现可见一二：“半导体的发展趋势即是创新，必须通过研究开发才可实现”。一直以来，支撑摩尔定律走到今天的是工艺的微缩化。即，只有更细微的工艺才有助于搭载更多的晶体管，同时单颗芯片的性能也就越丰富。最终，终端产品的附加值也就越高，也就成为了企业业绩增长的源泉。近年来，谷歌和微软等企业都在竞相自行设计LSI/SOC，即，根据自身需求设计、生产专用LSI，然后为客户提供专项服务，这种做法是日本的OA（Office Automation，办公自动化）设备企业曾经的一贯“打法”，数年来未曾改变。

为什么Rapidus要引进IBM的2纳米制程？

双方建立合作关系后，Rapidus将会派技术人员到IBM位于美国纽约州奥尔巴尼市（Albany）的“Albany Nano Tech Complex（IBM主要在该据点推进研发工作）”学习。同时，Rapidus也在与IBM以外的企业合作研发2纳米工艺，目标是到2020年代后半期（2026年一一2029年期间）开始量产。

Rapidus正在积极构建研发尖端半导体的体系，如与IBM一样，已经与imec（是欧洲一家专门研发尖端半导体工艺的研究中心）建立了伙伴关系。

图 | Rapidus与imec签署合作谅解备忘录（Memorandum of Cooperation， MOC）（图片出自：日本经济产业省官网）

不过，令人担忧的是能否在2020年代后半期顺利导入2纳米制程。由于是一项从零开始研发的量产项目，且并不是一步步沿着微缩化路线走过来的，所以客观来讲，还是需要一定的时间的。此次IBM和Rapidus的合作是直接从Planer 到FinFET型。即使是直接挑战GAA型，也是十分困难的（何况此次Rapidus避开了GAA型），对此，Rapidus的小池淳义代表董事社长表示：“从FinFET到Nano-sheet（纳米片）是一个巨大的跳跃。如果不是长期从事尖端工艺研发工作的话，很难获得GAA技术要领。由于结构的变化，因此在Albany学习后，将有利于实现跳跃”。

同时，在记者招待会上，小池先生还指出：“虽然是一大挑战，但并不是不可以超越。”虽然GAA可以采用FinFET的大部分工艺，但也学习起来也是有难度的。此外，从IRDS 2022披露的逻辑半导体厂家标榜的“纳米工艺技术蓝图”来看，2纳米制程的量产在2025年。2028年量产1.5纳米制程，2031年量产1.0纳米，即使Rapidus和IBM成功在2020年代下半期（2026年一一2029年期间）成功量产2纳米，其制程也有可能晚于其他先进厂家1一一2个代际。

图 | IRDS 2022公布的光刻技术蓝图。（图片出自：IEEE IRDS官网）

在SEMICON Japan 2022的SEAJ 展位上，展出的晶体管形状模型。

另一方面，可以看出，IBM主要有以下两种目的：

第一，找到并确保合作研发尖端工艺的企业伙伴；

第二，增加一家可以实际生产制造晶圆的Foundry企业。

众所周知，IBM没有Foundry工厂，三星电子长期为IBM代工尖端逻辑半导体。据外海媒体报道，最先进的3纳米制程的良率很低，且很难提升（另外，也有消息指出5纳米的良率最近才提升至70%）。上述信息有可能是道听途说，但据说TSMC也曾在3纳米的量产上费了很大功夫，因此，要想量产尖端工艺、且保证较高的良率，是要花费很长一段时间的。对于IBM而言，找到三星电子以外的Foundry量产厂家十分重要。

实际上，在SEMICON Japan 2022的开幕式（即讨论会议）上，小池先生指出：“日本在尖端逻辑半导体方面落后了10一一20年的时间，如果可以获得IBM的技术支持，将会十分有利”。在2022年12月13日的记者招待会上，Rapidus的东哲郎董事会长表示：“今天这样的日美合作项目，IBM在两年前就曾提出过”。

从这个意义上来说，Rapidus希望尽快掌握尖端工艺的技术，IBM希望找到第二家Foundry厂家，可谓是二者“一拍即合”！

量产的最大问题：采购EUV光刻机、技术成熟度

即使Rapidus在Albany学到了IBM的2纳米制程技术，也不一定就能直接量产。

最大的问题不是IBM，而是安装在SUNY Polytechnic Institute（包括Albany Nano Tech Complex）的EUV曝光设备：ADT（Alpha Demo Tool，首代EUV试做设备）、第三代“NEX:3300B”。（至少IBM没有公布已经导入了上述两款设备以外的其他新款EUV曝光设备）

另一方面，必须要熟练使用全球最新款的EUV设备，才有望量产2纳米制程（以及更先进制程）、才有望实现小池先生标榜的“成为全球交货期最短的公司”。

此外，据预测，TSMC应该不会使用新一代的、高NA EUV（此处，NA=0.55）。如果，IBM可用的EUV和实际量产需要的EUV之间存在技术差距，就有必要填补这一差距。

另一方面，imec作为全球最先进的尖端技术研发单位，也与Rapidus建立了合作关系。据说，imec也与ASML建立了合作关系，并在引进ASML的最新款EUV曝光机，以用于研发工作。Rapidus应该可以利用与imec的合作关系，获得ASML的最新一代光刻机的相关技术，并填补上述差距。

但是，另一个问题是Rapidus能否获得光刻机。ASML的2022年光刻机出货预测是55台。2023年为60多台，2025年计划为90台。虽然ASML在逐步提高产能，但随着半导体制程微缩化发展，采用EUV的层数也会越来越多，因此，未来各半导体厂家依然会继续“争抢”光刻机。据说，由于很难采购到光刻机，三星电子领导人在2020年秋季奔赴ASML谈判后，于2021年成功引进了15台。

随着公司的启动，日本政府从国库中调配了700亿日元（约人民币35亿元）支援Rapidus，据说这笔资金计划将被用于公司的基础运营，实际上，该资金要在一段时间之后才可以落实。纵然实现量产，也需要一定数量的光刻机。从这个意义上来讲，考虑到建设工厂、引进设备的日程，能否在2020年下半期实现量产，还是一个未知数。

利用2纳米制程生产什么？

在Rapidus披露要量产2纳米的目标之后，很多声音指出：“用2纳米制程生产什么？”

丰田汽车、电装、NTT、IBM等企业都对Rapidus进行了投资，想必这些企业都是希望Rapidus能为自己代工半导体。但是，现在更重要的是Rapidus能否获得苹果、高通、AMD、英伟达、联发科等尖端Fabless客户。上述客户目前都在委托TSMC、三星电子生产半导体。上述需要采用尖端工艺的客户都充分理解尖端工艺的附加价值，即使到了2纳米时代，也不会发生很大变化。

下面是一个与工艺微缩化比较类似的讨论话题：增加存储容量后，存储什么呢？

每次都会出现NAND（偶尔也会出现价格下滑的现象）的新的应用方式。需要用更高的速度、更低的功耗来处理未来诞生的庞大数据量，此外，目前还不清楚超级计算机（Super Computer）所要求的性能。由于提高了运算能力，所以实现了实时（Real Time）的AI处理，且可以模拟分子的复杂、长时间运动。从历史经验来看，一定会有某个企业找到新的用途，并将其作为新的商机、建立市场。即使是2纳米，也会遵循上述规律。因此，重要的是掌握用户企业所要求的半导体性能技术。

此外，要诞生上述新市场，不仅需要培养Fabless半导体厂家，也需要整备行业的设计、研发环境。按照以往的IDM（Integrated Design and Manufacture，垂直整合制造） 模式，由一家公司设计、生产半导体，晶圆工厂仅需为母公司生产半导体、且是母公司指定功能的半导体，需求十分明确。但是，在如今的Foundry和Fabless分工十分明确的时代，仅有生产能力是没有意义的，基于自身能力、并为客户提供更高价值的产品才更重要。纵然坐拥较高的技术，如果没有客户认可，依然无法产生交易。

针对Rapidus的业务，小池先生列举了三点：第一，人才培养；第二，基于最终市场、产品，构建生产体系；第三，基于半导体，实现绿色转型（GX）。现在开始研发尖端半导体，然后在一定时间内赶上先进厂家，的确是十分困难的。长年活跃于半导体行业的小池先生、东哲郎先生都应该充分认识到了这一点。小池先生自Trecenti Technology（由日立制作所和UMC合作成立的Foundry工厂，现在为瑞萨电子那珂工厂的N3 产线）时代就积累了生产经验，时至今日，依然对Foundry建设抱有相当高的热情。从这个意义上来讲，Rapidus有望在小池先生的领导下，研发出量产工艺、克服上述困难。

日本的土地上真的能再次生产出尖端逻辑半导体吗？让我们继续关注为实现该目标而踏出第一步的Rapidus的未来动向。