2nm？沒(méi)那么簡(jiǎn)單！

日本Rapidus和IBM于今年12月13日宣布稱(chēng)，為量產(chǎn)2納米邏輯半導體，雙方建立了合作關(guān)系。

IBM長(cháng)年以來(lái)一直積極進(jìn)行研發(fā)尖端半導體，且曾經(jīng)在美國紐約州擁有自己的300毫米晶圓工廠(chǎng)（于2014年轉給Global Foundries，后來(lái)，該工廠(chǎng)被安森美收購）。此外，IBM也在為自己品牌下的電腦生產(chǎn)所需半導體，同時(shí)也為客戶(hù)提供尖端工藝的技術(shù)研發(fā)服務(wù)和晶圓代工服務(wù)。

IBM的尖端工藝技術(shù)研發(fā)服務(wù)作為一項Common Platform，通過(guò)創(chuàng )建通用型工藝技術(shù)和生產(chǎn)產(chǎn)線(xiàn)，有效降低了研發(fā)成本、并確保了第二供應商資源（Second Source）。最初，IBM、Chartered Semiconductor Manufacturing(現在的Global Foundries)、三星電子三家公司分別在各自的工廠(chǎng)里提供通用型研發(fā)工藝，以研發(fā)90納米工藝（以及更先進(jìn)的）。后來(lái)，英飛凌和Freescale Semiconductor(現在的NXP Semiconductors)也參與研發(fā)32納米制程。另外，IBM又聯(lián)手索尼、東芝研發(fā)和生產(chǎn)了用于PLAYSTATION 3的“Cell”，后來(lái)，又和AMD合作研發(fā)了SOI相關(guān)技術(shù)。在去年（2021年），有報道指出，英特爾正與IBM開(kāi)展在尖端半導體方面的研發(fā)。綜上所述，IBM與大多數半導體廠(chǎng)家有過(guò)合作經(jīng)驗。

研究開(kāi)發(fā)和量產(chǎn)，完全是“兩碼事”

就以往的Common Platform而言，其實(shí)是“精確復制”(Copy Exactly)，即完全復制在IBM生產(chǎn)產(chǎn)線(xiàn)上構筑的工藝，并應用于其他“伙伴工廠(chǎng)”。因此，從初級階段就獲得了極高的良率。

但是，據筆者了解，即使是同樣的設備、同樣的工藝、同樣的設備參數，也未必能獲得同樣的良率。當IBM、東芝、索尼在各自的半導體工廠(chǎng)生產(chǎn)Cell 處理器時(shí)，據說(shuō)只有IBM的良率最低。只能說(shuō)當時(shí)的日本還在生產(chǎn)尖端邏輯半導體，所以掌握了相應的量產(chǎn)技術(shù)。

如上所述，在2014年以后，IBM開(kāi)始逐步放棄量產(chǎn)產(chǎn)線(xiàn)，公司僅保留對尖端工藝的研發(fā)小組。我們從IBM的高級副總裁、 IBM研究院總監 Dario Gil先生在接受記者采訪(fǎng)時(shí)的言談中發(fā)現可見(jiàn)一二：“半導體的發(fā)展趨勢即是創(chuàng )新，必須通過(guò)研究開(kāi)發(fā)才可實(shí)現”。一直以來(lái)，支撐摩爾定律走到今天的是工藝的微縮化。即，只有更細微的工藝才有助于搭載更多的晶體管，同時(shí)單顆芯片的性能也就越豐富。最終，終端產(chǎn)品的附加值也就越高，也就成為了企業(yè)業(yè)績(jì)增長(cháng)的源泉。近年來(lái)，谷歌和微軟等企業(yè)都在競相自行設計LSI/SOC，即，根據自身需求設計、生產(chǎn)專(zhuān)用LSI，然后為客戶(hù)提供專(zhuān)項服務(wù)，這種做法是日本的OA（Office Automation，辦公自動(dòng)化）設備企業(yè)曾經(jīng)的一貫“打法”，數年來(lái)未曾改變。

為什么Rapidus要引進(jìn)IBM的2納米制程？

雙方建立合作關(guān)系后，Rapidus將會(huì )派技術(shù)人員到IBM位于美國紐約州奧爾巴尼市（Albany）的“Albany Nano Tech Complex（IBM主要在該據點(diǎn)推進(jìn)研發(fā)工作）”學(xué)習。同時(shí)，Rapidus也在與IBM以外的企業(yè)合作研發(fā)2納米工藝，目標是到2020年代后半期（2026年一一2029年期間）開(kāi)始量產(chǎn)。

Rapidus正在積極構建研發(fā)尖端半導體的體系，如與IBM一樣，已經(jīng)與imec（是歐洲一家專(zhuān)門(mén)研發(fā)尖端半導體工藝的研究中心）建立了伙伴關(guān)系。

（圖片出自：日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省官網(wǎng)）

不過(guò)，令人擔憂(yōu)的是能否在2020年代后半期順利導入2納米制程。由于是一項從零開(kāi)始研發(fā)的量產(chǎn)項目，且并不是一步步沿著(zhù)微縮化路線(xiàn)走過(guò)來(lái)的，所以客觀(guān)來(lái)講，還是需要一定的時(shí)間的。此次IBM和Rapidus的合作是直接從Planer 到FinFET型。即使是直接挑戰GAA型，也是十分困難的（何況此次Rapidus避開(kāi)了GAA型），對此，Rapidus的小池淳義代表董事社長(cháng)表示：“從FinFET到Nano-sheet（納米片）是一個(gè)巨大的跳躍。如果不是長(cháng)期從事尖端工藝研發(fā)工作的話(huà)，很難獲得GAA技術(shù)要領(lǐng)。由于結構的變化，因此在A(yíng)lbany學(xué)習后，將有利于實(shí)現跳躍”。

同時(shí)，在記者招待會(huì )上，小池先生還指出：“雖然是一大挑戰，但并不是不可以超越?！彪m然GAA可以采用FinFET的大部分工藝，但也學(xué)習起來(lái)也是有難度的。此外，從IRDS 2022披露的邏輯半導體廠(chǎng)家標榜的“納米工藝技術(shù)藍圖”來(lái)看，2納米制程的量產(chǎn)在2025年。2028年量產(chǎn)1.5納米制程，2031年量產(chǎn)1.0納米，即使Rapidus和IBM成功在2020年代下半期（2026年一一2029年期間）成功量產(chǎn)2納米，其制程也有可能晚于其他先進(jìn)廠(chǎng)家1一一2個(gè)代際。

IRDS 2022公布的光刻技術(shù)藍圖。

（圖片出自：IEEE IRDS官網(wǎng)）

在SEMICON Japan 2022的SEAJ 展位上，展出的晶體管形狀模型。

另一方面，可以看出，IBM主要有以下兩種目的：

第一，找到并確保合作研發(fā)尖端工藝的企業(yè)伙伴；

第二，增加一家可以實(shí)際生產(chǎn)制造晶圓的Foundry企業(yè)。

眾所周知，IBM沒(méi)有Foundry工廠(chǎng)，三星電子長(cháng)期為IBM代工尖端邏輯半導體。據外海媒體報道，最先進(jìn)的3納米制程的良率很低，且很難提升（另外，也有消息指出5納米的良率最近才提升至70%）。上述信息有可能是道聽(tīng)途說(shuō)，但據說(shuō)TSMC也曾在3納米的量產(chǎn)上費了很大功夫，因此，要想量產(chǎn)尖端工藝、且保證較高的良率，是要花費很長(cháng)一段時(shí)間的。對于IBM而言，找到三星電子以外的Foundry量產(chǎn)廠(chǎng)家十分重要。

實(shí)際上，在SEMICON Japan 2022的開(kāi)幕式（即討論會(huì )議）上，小池先生指出：“日本在尖端邏輯半導體方面落后了10一一20年的時(shí)間，如果可以獲得IBM的技術(shù)支持，將會(huì )十分有利”。在2022年12月13日的記者招待會(huì )上，Rapidus的東哲郎董事會(huì )長(cháng)表示：“今天這樣的日美合作項目，IBM在兩年前就曾提出過(guò)”。

從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，Rapidus希望盡快掌握尖端工藝的技術(shù)，IBM希望找到第二家Foundry廠(chǎng)家，可謂是二者“一拍即合”！

量產(chǎn)的最大問(wèn)題：采購EUV光刻機、技術(shù)成熟度

即使Rapidus在A(yíng)lbany學(xué)到了IBM的2納米制程技術(shù)，也不一定就能直接量產(chǎn)。

最大的問(wèn)題不是IBM，而是安裝在SUNY Polytechnic Institute（包括Albany Nano Tech Complex）的EUV曝光設備：ADT（Alpha Demo Tool，首代EUV試做設備）、第三代“NEX:3300B”。（至少I(mǎi)BM沒(méi)有公布已經(jīng)導入了上述兩款設備以外的其他新款EUV曝光設備）

另一方面，必須要熟練使用全球最新款的EUV設備，才有望量產(chǎn)2納米制程（以及更先進(jìn)制程）、才有望實(shí)現小池先生標榜的“成為全球交貨期最短的公司”。

此外，據預測，TSMC應該不會(huì )使用新一代的、高NA EUV（此處，NA=0.55）。如果，IBM可用的EUV和實(shí)際量產(chǎn)需要的EUV之間存在技術(shù)差距，就有必要填補這一差距。

另一方面，imec作為全球最先進(jìn)的尖端技術(shù)研發(fā)單位，也與Rapidus建立了合作關(guān)系。據說(shuō)，imec也與ASML建立了合作關(guān)系，并在引進(jìn)ASML的最新款EUV曝光機，以用于研發(fā)工作。Rapidus應該可以利用與imec的合作關(guān)系，獲得ASML的最新一代光刻機的相關(guān)技術(shù)，并填補上述差距。

但是，另一個(gè)問(wèn)題是Rapidus能否獲得光刻機。ASML的2022年光刻機出貨預測是55臺。2023年為60多臺，2025年計劃為90臺。雖然ASML在逐步提高產(chǎn)能，但隨著(zhù)半導體制程微縮化發(fā)展，采用EUV的層數也會(huì )越來(lái)越多，因此，未來(lái)各半導體廠(chǎng)家依然會(huì )繼續“爭搶”光刻機。據說(shuō)，由于很難采購到光刻機，三星電子領(lǐng)導人在2020年秋季奔赴ASML談判后，于2021年成功引進(jìn)了15臺。

隨著(zhù)公司的啟動(dòng)，日本政府從國庫中調配了700億日元（約人民幣35億元）支援Rapidus，據說(shuō)這筆資金計劃將被用于公司的基礎運營(yíng)，實(shí)際上，該資金要在一段時(shí)間之后才可以落實(shí)?？v然實(shí)現量產(chǎn)，也需要一定數量的光刻機。從這個(gè)意義上來(lái)講，考慮到建設工廠(chǎng)、引進(jìn)設備的日程，能否在2020年下半期實(shí)現量產(chǎn)，還是一個(gè)未知數。

利用2納米制程生產(chǎn)什么？

在Rapidus披露要量產(chǎn)2納米的目標之后，很多聲音指出：“用2納米制程生產(chǎn)什么？”

豐田汽車(chē)、電裝、NTT、IBM等企業(yè)都對Rapidus進(jìn)行了投資，想必這些企業(yè)都是希望Rapidus能為自己代工半導體。但是，現在更重要的是Rapidus能否獲得蘋(píng)果、高通、AMD、英偉達、聯(lián)發(fā)科等尖端Fabless客戶(hù)。上述客戶(hù)目前都在委托TSMC、三星電子生產(chǎn)半導體。上述需要采用尖端工藝的客戶(hù)都充分理解尖端工藝的附加價(jià)值，即使到了2納米時(shí)代，也不會(huì )發(fā)生很大變化。

下面是一個(gè)與工藝微縮化比較類(lèi)似的討論話(huà)題：增加存儲容量后，存儲什么呢？每次都會(huì )出現NAND（偶爾也會(huì )出現價(jià)格下滑的現象）的新的應用方式。需要用更高的速度、更低的功耗來(lái)處理未來(lái)誕生的龐大數據量，此外，目前還不清楚超級計算機（Super Computer）所要求的性能。由于提高了運算能力，所以實(shí)現了實(shí)時(shí)（Real Time）的AI處理，且可以模擬分子的復雜、長(cháng)時(shí)間運動(dòng)。從歷史經(jīng)驗來(lái)看，一定會(huì )有某個(gè)企業(yè)找到新的用途，并將其作為新的商機、建立市場(chǎng)。即使是2納米，也會(huì )遵循上述規律。因此，重要的是掌握用戶(hù)企業(yè)所要求的半導體性能技術(shù)。

此外，要誕生上述新市場(chǎng)，不僅需要培養Fabless半導體廠(chǎng)家，也需要整備行業(yè)的設計、研發(fā)環(huán)境。按照以往的IDM（Integrated Design and Manufacture，垂直整合制造） 模式，由一家公司設計、生產(chǎn)半導體，晶圓工廠(chǎng)僅需為母公司生產(chǎn)半導體、且是母公司指定功能的半導體，需求十分明確。但是，在如今的Foundry和Fabless分工十分明確的時(shí)代，僅有生產(chǎn)能力是沒(méi)有意義的，基于自身能力、并為客戶(hù)提供更高價(jià)值的產(chǎn)品才更重要?？v然坐擁較高的技術(shù)，如果沒(méi)有客戶(hù)認可，依然無(wú)法產(chǎn)生交易。

針對Rapidus的業(yè)務(wù)，小池先生列舉了三點(diǎn)：第一，人才培養；第二，基于最終市場(chǎng)、產(chǎn)品，構建生產(chǎn)體系；第三，基于半導體，實(shí)現綠色轉型（GX）?，F在開(kāi)始研發(fā)尖端半導體，然后在一定時(shí)間內趕上先進(jìn)廠(chǎng)家，的確是十分困難的。長(cháng)年活躍于半導體行業(yè)的小池先生、東哲郎先生都應該充分認識到了這一點(diǎn)。小池先生自Trecenti Technology（由日立制作所和UMC合作成立的Foundry工廠(chǎng)，現在為瑞薩電子那珂工廠(chǎng)的N3 產(chǎn)線(xiàn)）時(shí)代就積累了生產(chǎn)經(jīng)驗，時(shí)至今日，依然對Foundry建設抱有相當高的熱情。從這個(gè)意義上來(lái)講，Rapidus有望在小池先生的領(lǐng)導下，研發(fā)出量產(chǎn)工藝、克服上述困難。日本的土地上真的能再次生產(chǎn)出尖端邏輯半導體嗎？讓我們繼續關(guān)注為實(shí)現該目標而踏出第一步的Rapidus的未來(lái)動(dòng)向。