2nm那么難，日本成嗎？
加入技術(shù)交流群
來(lái)源：半導體行業(yè)觀(guān)察
美國于近日確立了促進(jìn)國內半導體生產(chǎn)的法案“CHIPS and Science Act（CHIPS法案）”，但三星電子（Samsung Electronics）、SK海力士（SK Hynix）等韓國半導體廠(chǎng)家是否接受美國政府的資金援助，還是未知數。
此外，日本政府為新設半導體工廠(chǎng)的企業(yè)，提供補助金，這筆補助金被用在了臺灣TSMC的熊本工廠(chǎng)、鎧俠（原東芝存儲半導體）&美國西部數據（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“WD”）的四日市工廠(chǎng)。但是，即使以上企業(yè)獲得了日本政府的資金補助，日本的半導體全球市占率也不會(huì )有所提高。
另外，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省曾發(fā)布新聞稱(chēng)，在2024年之前日本和美國合作研發(fā)2納米邏輯半導體，并計劃在日本量產(chǎn)。而筆者認為，這是完全不可能的，簡(jiǎn)直是天大的笑話(huà)！
筆者將在下文中詳細分析以上問(wèn)題。下文為筆者最初的感想。
對于美國的“以本國利益為中心的政策”，可能會(huì )引起其他國家半導體背離美國。（或許美國是為了把補助金僅支援給英特爾等美國本土半導體廠(chǎng)家。）
同時(shí)，即使日本的“不諳世事”的“職業(yè)官僚們”確立強化半導體生產(chǎn)的方案，也不會(huì )有任何效果。此外，甚至日本政府還提出了“日本要在2025年開(kāi)始量產(chǎn)2納米”等極具搞笑意義的方案，筆者認為這是非?；?。真是一樁世界級的丑聞，筆者真心希望不要確立以上法案。
美國試圖通過(guò)“CHIPS法案”強化半導體生產(chǎn)
為了強化美國本土的半導體生產(chǎn)，2022年8月9日，美國總統拜登簽署“CHIPS法案”，該法案正式生效。美國試圖通過(guò)此法案強化美國半導體生產(chǎn)。在美國設有半導體工廠(chǎng)和研發(fā)（R&D）中心的TSMC、三星電子、SK海力士到底是不是應該接受美國政府的援助呢？
該“CHIPS法案”指出，投資共527億美元（約人民幣3636億元）用于美國的半導體生產(chǎn)和研究開(kāi)發(fā)，明細如下，投資約390億美元（約人民幣2691億元）用于吸引外資赴美建半導體工廠(chǎng)（其中20億美元用于支援車(chē)載、國防系統等方向的傳統型半導體生產(chǎn)），132億美元（約人民幣910億元）用于研究開(kāi)發(fā)和培養人才，5億美元（約人民幣35億元）用于國際信息通信技術(shù)安防和半導體供應鏈。
可以享受以上資金補助的半導體廠(chǎng)家如下圖1所示。美國英特爾（Intel）計劃分別在亞利桑那州、俄亥俄州投資200億一一300億美元（約人民幣1380億元一一2070億元），用于建設生產(chǎn)處理器的工廠(chǎng)和Foundry工廠(chǎng)。受到美國政府邀請的TSMC在美國亞利桑那州投資120億美元（約人民幣828億元），用于建設5納米Foundry工廠(chǎng)。對TSMC“緊追猛趕”的三星電子也不甘落后，在美國德克薩斯州投資170億美元（約人民幣1173億元），用于建設尖端Foundry工廠(chǎng)。此外，SK海力士集團計劃投資約220億美元（約人民幣1518億元）在美國建設半導體研發(fā)中心和封裝測試相關(guān)工廠(chǎng)。
圖1：有望享受美國“CHIPS法案”補助金的半導體廠(chǎng)家。
（圖片出自：jbpress）
據英特爾透露，假設美國政府共有100億美元的支援計劃，我們可以獲得30億美元的補助。因此，以上半導體廠(chǎng)家都在試圖獲得“CHIPS法案”中的補助金。
“CHIPS法案”補助金的利害
要說(shuō)，美國將527億美元（約人民幣3636億元）的補助金投入到半導體產(chǎn)業(yè)后，美國的半導體生產(chǎn)能否得到改善呢？回答這個(gè)問(wèn)題之前，先看看另外一個(gè)問(wèn)題。美國“CHIPS法案”中明確提到，“CHIPS法案”是為了削減成本、創(chuàng )造更多就業(yè)機會(huì )、強化半導體供應鏈、與中國抗衡?？梢钥闯鲈摲ò笌в忻黠@的“保護性質(zhì)（Guardrail）”。
依據該法案，如果TSMC、三星電子、SK海力士一旦享受美國“CHIPS法案”的補助，將無(wú)法在以下中國工廠(chǎng)進(jìn)行投資，TSMC南京工廠(chǎng)（40納米一一16納米，生產(chǎn)邏輯半導體）、三星中國西安工廠(chǎng)（3D NAND）、SK海力士中國無(wú)錫工廠(chǎng)（DRAM）和中國大連工廠(chǎng)（原屬于英特爾，3D NAND）。
其中，TSMC中國南京工廠(chǎng)份額在TSMC集團的占比較??；而三星電子西安工廠(chǎng)生產(chǎn)的3D NAND占三星集團的約40%；SK海力士大連工廠(chǎng)生產(chǎn)的3D NAND占其30%、無(wú)錫工廠(chǎng)生產(chǎn)的DRAM占其50%。
因此，一旦三星電子和SK海力士一旦享受了“CHIPS法案”的“福利”，將無(wú)法對位于中國的存儲半導體工廠(chǎng)增加投資，不僅無(wú)法生產(chǎn)出最先進(jìn)的存儲半導體，連擴產(chǎn)也無(wú)法進(jìn)行。這對存儲半導體而言，是“致命打擊”！
可能會(huì )有讀者問(wèn)：“必須要接受美國的補助金嗎”？對于在成本極其高昂的美國建設半導體工廠(chǎng)、研發(fā)中心的企業(yè)而言，不接受數十億美元的補助，簡(jiǎn)直是一個(gè)“沉重的打擊”！
此外，美國“CHIPS法案”中還規定了其他更苛刻的條件。
美國試圖進(jìn)一步壓制中國
如今，美國把中國大陸最大的Foundry工廠(chǎng)放入其EL實(shí)體清單，禁止向其出口可生產(chǎn)10納米以下半導體的相關(guān)設備。因此，荷蘭ASML的最尖端的可用于10納米以下細微化加工的EUV曝光設備無(wú)法向其出口。不僅僅是中國大廠(chǎng)，SK海力士也無(wú)法在無(wú)錫工廠(chǎng)將EUV設備應用于尖端DRAM的生產(chǎn)。
據2022年7月6日彭博社報道，不僅僅是EUV光刻機，美國政府正試圖對荷蘭ASML和日本尼康施加壓力，以禁止他們向中國出口A(yíng)rF液浸光刻機。
此外，據2022年8月1日彭博社報道，為了阻礙中國生產(chǎn)28納米半導體（其實(shí)是16納米/14納米以及以上代際），美國政府已經(jīng)向美國的設備廠(chǎng)家發(fā)出正式文件，禁止他們向中國出口相關(guān)設備。從上述報道來(lái)看，未來(lái)美國的“禁止出口范圍”很有可能波及到美國應用材料公司和日本東京電子株式會(huì )社。
因此，不論TSMC、三星電子、SK海力士是否接受美國政府“CHIPS法案”的資金補助，都將無(wú)法在中國工廠(chǎng)進(jìn)行投資，同時(shí)都將陷入困境。
總而言之，美國是希望對中國進(jìn)行徹頭徹尾地出口限制。美國如此嚴格的限制很有可能引起臺灣地區、韓國的半導體廠(chǎng)家對美國失去信心。筆者認為美國的出口限制過(guò)于嚴格、過(guò)于考慮美國利益！
日本政府頒布法案支援半導體工廠(chǎng)建設
人們普遍認為日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省依據下圖2，制定了半導體支援政策。下圖2在日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省“半導體·數字化產(chǎn)業(yè)戰略（日本政府于2021年6月4日公布）”網(wǎng)站的“半導體戰略”文件第七頁(yè)。
圖2：日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省制定半導體支援戰略的依據。
（圖片出自：jbpress）
如上圖所示，1988年日本半導體產(chǎn)業(yè)全球占比50.3%，2019年下滑至10%，照此發(fā)展下去，到2030年將會(huì )萎縮至0%。對此，經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省倍感危機，為了防止日本半導體占比的低下，確立了為新建半導體工廠(chǎng)提供資金支持的法案。2021年12月20日，日本參議院全體會(huì )議中，執政黨多數贊成并通過(guò)了次法案。
基于該法案，日本政府于2022年6月17日決定對TSMC熊本工廠(chǎng)最大支援4760億日元（約人民幣280億元）。此外，日本政府還在2022年7約26日決定對鎧俠和WD的四日市工廠(chǎng)給與最大929億日元（約人民幣55億元）的資金補助。然而，還沒(méi)有決定是否對鎂光的廣島工廠(chǎng)進(jìn)行資金援助。
那么，對TSMC熊本工廠(chǎng)、鎧俠和WD的四日市工廠(chǎng)進(jìn)行資金援助后，日本的半導體全球占比真的會(huì )提高嗎？
圖3：日本政府針對新建半導體工廠(chǎng)，給與資金補助。
（圖片出自：jbpress）
能否通過(guò)補助金，提高日本的半導體全球市占率？
TSMC熊本Foundry工廠(chǎng)，28/22納米一一16/12納米邏輯半導體方向晶圓的約產(chǎn)能為5.5萬(wàn)片。如果委托TSMC生產(chǎn)的的芯片設計公司（Fabless）都是日本企業(yè)，那么日本的半導體全球市占率有望相應地提高。
但是，日本幾乎沒(méi)有Fabless企業(yè)。從SEMILINKS這一半導體相關(guān)網(wǎng)站來(lái)看，日本的Fabless僅有70家左右。此外，幾乎沒(méi)有任何關(guān)于這些企業(yè)的產(chǎn)品介紹、產(chǎn)品信息，可以說(shuō)，在日本從事芯片設計的Fabless企業(yè)僅有以下五家企業(yè)：Thine電子株式會(huì )社（Thine Electronics,Inc.)、Mega Chips株式會(huì )社（MegaChips Corporation）、Mega Design Net株式會(huì )社（Magna Design Net, Inc.）、Logic Research株式會(huì )社、索喜株式會(huì )社（Socionext)。（另外，美國和臺灣地區有數百家Fabless企業(yè)，中國大陸有近3000家。）
那么，究竟是什么樣的企業(yè)會(huì )委托TSMC熊本工廠(chǎng)生產(chǎn)邏輯半導體呢？由于索尼和電裝是熊本的股東，這兩家可能會(huì )成為其客戶(hù)。但是，這兩家客戶(hù)的訂單應該無(wú)法填滿(mǎn)月產(chǎn)5.5萬(wàn)片的產(chǎn)能。在TSMC熊本工廠(chǎng)月產(chǎn)5.5萬(wàn)片的晶圓中，最多1萬(wàn)一一2萬(wàn)片是提供給日本客戶(hù)，剩余部分應該是提供給其他諸多海外客戶(hù)。盡管TSMC熊本工廠(chǎng)的“原始資本金”來(lái)自于日本的稅收，而卻不一定優(yōu)先為日本客戶(hù)供貨。
那么，鎧俠和WD的四日市工廠(chǎng)又如何呢？鎧俠&WD分別投資50%的設備生產(chǎn)NAND，生產(chǎn)的NAND也是各取50%。鎧俠是日本企業(yè)、WD是美國企業(yè)。因此，即使對鎧俠和WD的四日市工廠(chǎng)予以補助，對提高日本半導體占比的貢獻也僅有50%。
綜上所述，即使日本政府對TSMC熊本工廠(chǎng)、鎧俠和WD的四日市工廠(chǎng)予以資金補助，也不會(huì )提高日本半導體全球市占率。（即使稍有提高，也是微乎其微。）
日本政府宣布量產(chǎn)“2納米”，簡(jiǎn)直是可笑至極
2022年7月29日，日本經(jīng)濟新聞報道稱(chēng)，日本和美國在量產(chǎn)半導體方面展開(kāi)合作，日本和美國兩國政府于7月29日在美國首都華盛頓召開(kāi)首次“經(jīng)濟2plus2”會(huì )議，會(huì )議中提到日本和美國共同研發(fā)2納米半導體，日本在年底之前成立“新一代半導體生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)中心（臨時(shí)名稱(chēng)）”，計劃在2025年于日本國內量產(chǎn)2納米半導體。
至此，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省已經(jīng)制定了多個(gè)令人無(wú)法理解的政策（所以日本的半導體產(chǎn)業(yè)才一片混亂），“日本和美國合作研發(fā)2納米半導體，日本自2025年開(kāi)始量產(chǎn)2納米半導體”一一這真是令人驚訝、震驚、不可思議！簡(jiǎn)直是一條愚蠢至極的策略，日本半導體行業(yè)的相關(guān)人員不禁要問(wèn)：“這樣的政策真的可以實(shí)施下去嗎”？（那么，日本政府可能會(huì )說(shuō)：“政府不插手了”，但是，媒體在號召大家進(jìn)行評論，所以筆者發(fā)表一下自己的見(jiàn)解。）
由于日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省似乎是在很認真地發(fā)布了以上政策，真讓人頭疼！8月10日在赤坂Inter City Conference召開(kāi)了“Flash Forward Japan 存儲半導體·改革·座談會(huì )”，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省商務(wù)信息政策局總務(wù)科西川和見(jiàn)科長(cháng)做了名為《Current state of the art in semiconductors in Japan》的主題演講。（下圖4）
圖4：日本和美國合作研發(fā)2納米，日本自2025年開(kāi)始量產(chǎn)2納米？？出自：西川和見(jiàn)（日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)?。?，《Current state of the art in semiconductors in Japan》、“Flash Forward Japan 存儲半導體·改革·座談會(huì )”，2022年8月10日。（圖片出自：jbpress）那么，為什么日本量產(chǎn)2納米半導體是可笑至極呢？（雖然很難解釋?zhuān)P者還是要說(shuō)明一下。）2納米半導體難在何處？所謂半導體的“微縮化”，指的是每一代際縮小約70%。如下圖4所示，日本自45納米以后就不再有進(jìn)步。45納米以后為32納米、22納米、16/14納米、10納米、7納米、5納米、3納米、2納米。（西川先生的資料中遺漏了32納米和10納米，筆者進(jìn)行了補充。）自45納米（日本可以生產(chǎn)）到2納米，共跨越了九個(gè)代際的微縮化，這究竟有多難呢？
首先，微縮化每發(fā)展一個(gè)代際，肯定會(huì )出現諸多問(wèn)題，為解決這些問(wèn)題，需要進(jìn)行多次試錯實(shí)驗。在28納米/22納米之前，晶體管的形狀為“平面型（Planner）”，16納米以后為FinFET，2納米以后為GAA（Gate-All-Around，全環(huán)繞柵極晶體管），之所以有這么大的變化，是因為不改變晶體管結構，無(wú)法實(shí)現人們期待的性能。此外，隨著(zhù)微縮化發(fā)展，出現的問(wèn)題也是各式各樣。
比方說(shuō)，在2015年之前以為被視為“微縮化頭號玩家（Top Runner）”美國英特爾在2016年無(wú)法順利從14納米過(guò)度到10納米，在后來(lái)的五年里，10納米的啟動(dòng)一直不順利（如下圖5）。去年（2021年）Patrick Gelsinger就任英特爾第八代CEO，并將10納米命名為“Intel 7（i7）”、7納米（采用了最先進(jìn)的EUV曝光設備）改為“Intel 4（i4）”。如今英特爾正在為實(shí)現i4而努力。
圖5：邏輯半導體和Foundry廠(chǎng)家的技術(shù)藍圖。 （圖片出自：jbpress）TSMC和三星在同一時(shí)間（2019年）啟動(dòng)7納米，后來(lái)，雖然僅僅能看到6納米、5納米、4納米、3納米等一系列數字的進(jìn)步，但5納米以后的良率很難提升，而且TSMC的3納米采用了GAA構造，因此TSMC在3納米代際陷入絕望，果斷進(jìn)軍2納米。即使是獨享最尖端技術(shù)的TSMC，雖然曾經(jīng)每?jì)赡旮嬉粋€(gè)代際，但3納米并未能按計劃啟動(dòng)，耗費了兩年半的時(shí)間，在2022年下半年，終于迎來(lái)了量產(chǎn)關(guān)鍵期。2納米代際晶體管采用新型GAA，進(jìn)入量產(chǎn)可能要花費兩年半甚至三年的時(shí)間。因此，2納米的量產(chǎn)時(shí)間最快在2025年、甚至2026年。
如果日本“自2025年開(kāi)始量產(chǎn)2納米”，那么，很有可能早于TSMC！從當下的45納米，跨越九個(gè)代際，比TSMC早量產(chǎn)2納米，這是多么異想天開(kāi)的方案！不僅僅是“中學(xué)生和大學(xué)生的差距”在2022年8月3日的日本經(jīng)濟新聞“Deep Insight”中，針對2納米的難度，Common Data的中山淳史先生做了以下比喻：“Planner型是中學(xué)生、FinFET是高中生、GAA是大學(xué)生”。
而筆者認為2納米的難度不止如此。但是，偶爾也會(huì )有一些天才少年，直接從中學(xué)跳級升入大學(xué)，但是，對于半導體而言，直接從45納米過(guò)渡到2納米，跨越九個(gè)代際，是不可能的。
就半導體的微縮化發(fā)展而言，每個(gè)代際進(jìn)步70%，其難度呈指數級增長(cháng)。20多年前，筆者曾參與研發(fā)了4M、16M、64M、256M的DRAM研發(fā)和量產(chǎn)。每一代際的研發(fā)都像“走鋼絲”一樣困難。比方說(shuō)，研發(fā)從64M過(guò)渡到256M時(shí)，由于過(guò)于困難，當時(shí)甚至出現了“莫非256M是做不到的？”這樣的想法。半導體微縮化發(fā)展真的非常困難。
因此，下面的比喻可以回答“站在45納米的角度來(lái)看，2納米究竟是什么”這個(gè)問(wèn)題！日本少年棒球聯(lián)盟的青少年球員一般會(huì )有以下夢(mèng)想：“未來(lái)，成為美國職業(yè)棒球聯(lián)盟球員，像大谷翔平一樣投打雙修！”當然，青少年棒球球員懷有夢(mèng)想是好事。但是，某個(gè)青少年球員希望“在三年后，進(jìn)入美國職業(yè)棒球聯(lián)盟，且投打雙修！”當然這是不現實(shí)的。大家可能會(huì )對這個(gè)少年說(shuō)：“先進(jìn)入甲子園，然后以出色的成績(jì)進(jìn)入日本職業(yè)棒球團，最后有望進(jìn)入美國職業(yè)棒球聯(lián)盟?！?/span>
45納米和2納米的差距，就像青少年棒球隊員與隸屬于美國職業(yè)棒球聯(lián)盟的、投打雙修的大谷翔平的差距一樣。如何獲得EUV？最后，最后筆者再基于事實(shí)論述為何“日本計劃從2025年開(kāi)始量產(chǎn)2納米”是不現實(shí)的。要量產(chǎn)2納米，其中一款必須的設備是僅荷蘭ASML可量產(chǎn)的尖端EUV曝光設備。
據預測，在2025年，TSMC擁有100臺光刻機、三星有35臺、英特爾有15臺（下圖6）。但是，這三家公司都希望有更多的EUV設備。除了以上三家，SK海力士、鎂光、南亞等DRAM廠(chǎng)家也都希望購買(mǎi)更多的EUV設備。
圖6：TSMC、三星、英特爾所擁有的EUV設備數量（預測）。筆者根據預測值制作了此圖。（圖片出自：jbpress）ASML自2016年開(kāi)始出貨EUV設備（下圖7）。2016年出貨5臺、2017年出貨10臺，2018年出貨18臺，2019年出貨26臺，2020年出貨31臺，2021年出貨42臺，今年（2022年）計劃出貨55臺（但是有消息稱(chēng)，今年受到零部件供給不足的影響，出貨量可能停滯在40臺左右。）
圖7：ASML的EUV設備出貨數量（2022年為預測）。（圖片出自：jbpress）2020年年中，未交貨訂單（Open PO，即開(kāi)口訂單，收到客戶(hù)訂單，但未能交貨）為56臺，今年（2022年）未交貨訂單達到了100臺。總而言之，如今的情況是即使向ASML訂貨，也不一定買(mǎi)得到?！叭毡咀?025年開(kāi)始量產(chǎn)2納米”，即意味著(zhù)日本在2025年擁有EUV設備，并熟練使用。
有夢(mèng)想的棒球青少年球員即使利用魔法變身成為了大谷翔平，沒(méi)有EUV光刻機，依然無(wú)法量產(chǎn)2納米。筆者很想問(wèn)問(wèn)，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省的西川科長(cháng)如何看待以上問(wèn)題點(diǎn)。
*博客內容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀(guān)點(diǎn)，如有侵權請聯(lián)系工作人員刪除。
