日本半导体，最后的机会

原创芯世相 2023-11-18 09:03

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日本正在采取新的重大产业政策，旨在恢复其半导体产业的国际竞争力。

20 世纪 80 年代末，日本半导体产业的产量占世界总产量的 50%以上，而到 2022 年，这一数字已下降到9%。如今，日本的半导体产业大约比全球技术领先者落后 10 年。为了体现决策者的紧迫感和忧患意识，日本已经摒弃了战后长时间作为其产业政策特征的做法，包括限制外国投资和不允许大型外资生产设施在日本运营。

在 2022 年 7 月举行的日美经济政策委员会会议上，日本与美国同意在关键技术领域开展联合研发（R&D），日本宣布成立一个以美国国家半导体技术中心（NSTC）为蓝本的公共研究机构，名为 "尖端半导体技术中心"（LSTC）。

日本在芯片制造方面面临的挑战是严峻的。日本最先进的晶圆厂采用 40 nm的设计规则，比世界领先的台积电和三星落后约 10 年。日本的DRAM生产商曾在 20 世纪 80 年代主导全球市场，但现在已基本退出了这一行业，目前日本最先进的 DRAM 是由美国公司美光拥有和运营。

尽管日本在某些半导体器件类型（如 NAND 存储器、功率半导体、MCU和 CMOS 图像传感器）方面仍具有国际竞争力，但正如日本政府最近承认的那样，目前努力推动芯片的行为很可能是让日本在全球芯片市场占据有利地位的 "最后机会"。

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日本的新兴半导体战略

2021 年 6 月，日本经济产业省（METI）宣布了《半导体和数字产业发展战略》，其中包括以下内容：

与美国建立合作伙伴关系。通过与 IBM 和欧洲研究机构 IMEC 合作成立Rapidus，在 2020 年代末能够设计和生产下一代芯片（2 纳米及以下）。

开发 "改变游戏规则 "的未来半导体技术。为此，日本正在建立一个由政府支持的尖端半导体技术中心LSTC。据报道，建立 LSTC 的想法源于促成《基本原则》通过的美日讨论。IBM 将支持 LSTC 的建立和工作。

建立新的芯片制造基地，生产传统设备。根据这一目标，政府鼓励世界上最先进的半导体制造商——台积电与日本索尼公司和电装公司（汽车零部件制造商）组建合资企业：日本先进半导体制造公司。该公司正在熊本县建设一家晶圆制造厂。据报道，台积电正在考虑在该地建立第二座晶圆厂。

为日本国内芯片制造提供补贴。日本政府表示，将为国内外制造商生产指定类型的半导体器件（包括功率器件、MCU和模拟器件）、设备、材料和原材料所产生的资本成本提供最多三分之一的补贴。补贴的条件是在日本国内生产至少达到 10 年，而且要求制造商在全球短缺时优先考虑日本出货。

日本强调国际合作是该国的一大转变，至少在 20 世纪 90 年代以前，日本一直奉行实现半导体自给自足的政策。这与美国目前的认识相似，即如果没有关键的外国合作伙伴，就不可能重新获得芯片领域的领先地位。

启动 Rapidus

Rapidus 是一个由日本 8 大巨头公司合体创办的公司，与IBM合作开发 2nm技术，以便在日本建造一座或多座晶圆厂进行生产。

第一座晶圆厂将建在北海道，目标启动时间为2026-2027 年。Rapidus 此前已与总部设在比利时的 IMEC 建立了合作伙伴关系，IMEC 是欧洲最重要的微电子研究机构，与世界上几乎所有主要的半导体设备、设备和材料公司都有合作。

Rapidus 公司是由日本资深半导体高管组建的，其中最著名的是公司总裁小池淳义（曾担任存储器制造商日本西部数据的负责人）和董事长东哲郎（曾在日本半导体设备制造厂Tokyo Electron担任CEO）。

这些股份由 12 位日本半导体专家持有。Rapidus 成员包括丰田、索尼、NTT、NEC、Kioxia、软银、电装和三菱日联银行等日本高科技和金融公司。值得注意的是，Rapidus 的许多合作伙伴都是芯片消费大户；预计他们将成为 Rapidus 产出的初始市场。

Rapidus 获得了日本政府的大量资金支持，据说初期金额为 700 亿日元（约合 5.3 亿美元），其中大部分将用于购买荷兰 ASML 公司的两台极紫外光刻（EUV）设备。2023 年 4 月底，政府宣布将向 Rapidus 再提供 2,600 亿日元（约合 19.4 亿美元），"以加强公司的研发业务"。Rapidus 预计需要约 5 万亿日元（约合 351 亿美元）的投资才能开始量产。

美国政府也鼓励 Rapidus 的成立以及与 IBM 的合作。然而，双边关系依然紧张。

2023 年 3 月，Rapidus 公司高管 Orii Yasumitsu 批评美国政府对半导体的出口管制 "过于激进"，这是日本半导体行业高管首次 "公开表达对美国芯片法案的负面立场"。Orii 还说："过去，美国的法规削弱了日本的半导体产业。但现在，美国正试图通过法规再次夺回全球半导体行业的霸主地位。韩国和日本必须携手应对美国的举动。"

LSTC：尖端半导体技术中心

日本在半导体领域发展的新发力点在于：以产业、政府和学术之间的密切合作为特色。因此，Rapidus 的工作将得到 LSTC 的支持。

LSTC 成立于 2022 年 12 月，作为一个总体组织来协调日本的半导体研究。LSTC 正在开展的研究课题与 Rapidus 的工作计划密切相关。LSTC 将得到日本一些现有公共研究机构的支持：日本产业技术综合研究所（AIST）、日本理化学研究所 (RIKEN)和东京大学。LSTC 将向来自"志同道合 "国家的研究人员开放。

LSTC 将致力于若干关键主题：

建立先进的半导体电路设计技术；

开发先进的全能栅极（GAA）晶体管技术；

开发批量生产技术，加快芯片设计与制造之间的快速周转时间 (TAT)；

建立 3D 封装技术支持；

开发用于 GAA 结构和先进封装的材料。

LSTC 计划每年从日本一流大学选拔几十名学生和研究人员进行专业培训。将由半导体制造和电信技术专家授课。Rapidus在北海道的试点工厂将实施自己的培训计划。

雄心勃勃的技术目标

Rapidus-IBM-IMEC 的合作可以说是全球半导体行业历史上最雄心勃勃的合作之一。

如前所述，日本目前在芯片制造技术方面落后于世界领先的台积电和三星 10 年，其芯片制造技术处于 40 nm节点。Rapidus建议在两到三年内跨越多个节点，开始 2 纳米的生产。这将是一项无与伦比的技术壮举。

哪怕是跳过一个节点，都会对公司提出重大要求，如更多和更复杂的设计规则检查、额外的计算要求、节点间 IP 设计人员配备要求的大幅增加，以及众多具有挑战性的不断发展的技术——所有这一切都是在时间和成本压力增加的情况下进行的，同时还要应对无法预料的技术未知风险。

一位分析师写道：“跳过节点要深思熟虑......现在节点与节点之间的渐进学习非常多，这种学习的需求不会因为节点的跳转而消失。你最终只会把这种学习压缩到下一个设计的关键路径中，而管理层仍然希望你以与上一个设计相同或更短的时间完成该设计。这只能以失败告终。”

Rapidus 公司没有制造先进芯片的经验，迄今为止，也没有迹象表明它能从拥有必要经验的公司（如台积电和三星）那里获得这方面的实际知识。成功的关键可能在于 IBM 的技术，它采用了 GAA 晶体管或 "纳米片 FET"，使器件的规模超过了目前的 FinFET 技术（一种三维晶体管，与平面器件相比，开关时间更快，密度更高）。

据一位消息人士称，"这可能是自集成电路诞生以来最具颠覆性的晶体管设计"。IBM 最近还宣布在互连（半导体元件之间的布线）技术方面取得突破，用钌（"互连 3.0"）取代铜作为互连材料，这种材料可以扩展到 1 纳米甚至更小的尺寸，而且仍然是一种有效的导体。

日本的芯片基础设施

据报道，尽管日本芯片生产成本较高，但美国决策者和行业领袖逐渐将日本视为另一个芯片生产中心。在很大程度上，这种观点反映了日本在最先进的芯片制造所需的工具和材料方面具有非凡的竞争力，日本供应商在其专业领域往往代表着世界最佳水平。这些领域包括：

EUV光刻技术：日本生产的许多设备可用于先进节点的芯片制造所需的极紫外线（EUV）光刻技术。日本东京电子公司（TEL）在全球EUV涂布显影设备领域上占有近 100%的份额。

芯片堆叠：TEL 还与 IBM 紧密合作，在 12英寸晶圆上实现全球首个芯片堆叠操作。

光掩模：日本公司 JEOL 和 NuFlare 占有全球 91% 的 EUV 光刻掩模版设备市场份额。

抗蚀加工：日本公司 TEL 和 SCREEN 占光刻胶加工所需设备全球市场 96% 的份额。

高端光刻胶：四家日本公司——信越化学、东京应化工业、JSR 和富士胶片电子材料，占全球先进芯片制造所需的高端光刻胶产量的 75%，几乎垄断了利用 EUV 光刻技术制造设备所需的光刻胶。第五家日本公司住友化学最近也进入了光刻胶生产市场。

晶圆加工：日本公司 Accretech、Okimoto、Toyo 和 Disco 占有晶圆加工所需设备全球市场 95% 的份额。日本公司 Rorze、Daifuku 和 Muratech 占有全球晶圆处理设备市场 88% 的份额。

半导体材料：在芯片制造所需的 14 种最关键材料（包括光掩模、光刻胶和硅晶片）中，日本占有 50% 以上的份额，是全球最大的半导体材料生产国，这一地位已保持了几十年。

3D 封装：包括日产化学和昭和电工在内的日本半导体材料供应商正在进行新的重大投资，以开发和生产 3D 芯片封装所需的材料。2024 年，日产化学将开始批量生产 3D 封装中使用的临时粘合剂，这种粘合剂可在抛光和堆叠过程中将硅晶圆固定在玻璃基板上，同时还能在不损坏硅晶圆的情况下将其取出。

硅晶片： 日本材料公司 SUMCO 和信越化学共同占据了全球硅晶圆市场 60% 的份额。

重新关注后端

日本加强芯片制造能力的努力将包括生产流程的 "后端"——组装、测试，特别是封装，这被认为在先进芯片的开发中起着至关重要的作用。

目前，由于日本重视与中国和亚洲其他国家的国际合作，包括封装在内的大多数后端业务都在其他地方进行。后端业务重点的一些关键要素包括：

半导体封装陶瓷制造商京瓷公司最近宣布，它将投资 620 亿日元（4.7 亿美元）建设二十年来的第一个新生产设施，生产先进芯片的封装材料。

芯片测试设备制造商Advantest与台积电达成技术联盟，用于开发高密度后端应用的测试设备，在筑波的台积电3D IC研发中心实施。

日本领先的光刻设备制造商佳能正在推出后端光刻机，旨在建立设备之间的高密度连接，从而在单个封装中提高性能和能效。

日本芯片设备制造商 Ulvac 正在改进其设备，用于清除微小杂质的设备，由于封装操作更加复杂，产生的微小杂质数量增加。这些杂质可能会影响芯片性能。

芯片材料供应商 Sumitomo Bakelite 正在开发与先进的后端生产工艺兼容的专用树脂。

至少在 20 世纪 90 年代之前，日本一直奉行以产业独立为特征的政策。如今，日本的目标是与美国和欧洲合作，建立一条全球供应链。

正如经济产业省一位官员在 2022 年 8 月所说："世界和平，谁为我们提供半导体都可以的时代已经过去了。”日本的新政策是对这一新现实的雄心勃勃的有效回应。

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来源：内容由芯世相（ID：xinpianlaosiji）编译自「csis」，作者: Sujai Shivakumar、Charles Wessnerand、Thomas Howell

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