半导体摩尔定律之后日本企业的商机

network

半导体摩尔定律之后日本企业的商机


半导体
      所谓“摩尔定律”，是指半导体芯片的性能每隔大约2年就会提高2倍。这个定律已经应验了半个世纪，但现在正在迎来极限。在微细化技术日趋成熟的背景下，构成电路的晶体管（元件）和集成电路（IC）芯片纵向集聚的2种“三维化”技术正在取得进展。为了确立新制程，设备企业的重要性再次提高，日本企业受到的关注也随之加强。




日本经济产业相萩生田光一（右2）在美国考察尖端半导体研究设施


      5月上旬访美的日本经济产业相萩生田光一造访了位于纽约州的半导体研究设施“奥尔巴尼纳米技术中心(Albany Nanotech Complex)”。正如名称所示，这里正在研发纳米级的芯片微细化技术。元件结构是新一代半导体的关键，该中心将推进以此前设计无法实现的尖端领域研究。

  


   

      以在奥尔巴尼设有研发工厂的美国IBM为代表，东京电子等日本企业也将参与研发。“为了确保最尖端领域的研发和制造能力，希望日美能加深合作，推进相关研究”，萩生田在与IBM高管的意见交流会上如此表示。

     

      IBM此前出售了半导体部门，但留下了研发部门继续推进尖端技术开发，2021年宣布开发出了“2纳米”半导体。据其介绍，这是“能在指甲大小的芯片上搭载500亿个元件”的尖端产品。

      半导体将晶体管电流的“开关”转变为“1.0”这种数字信号。如果使电路变得微细，同样面积的基板能集成更多元件，性能也将得到提高。作为英特尔创始人的戈登·摩尔(Gordon Moore)于1965年提出，“晶体管的集成度约每2年翻一番”。这些年来，半导体以这种速度提高集成度，不断推出高速且耗电量少的产品。



      性能的提高存在极限



      不过，人们意识到这种性能提高也存在极限。其一是电力的问题。随着微细化的不断发展，芯片容易发生各种“漏电”，无法像原来一样抑制耗电量。由于受电力和发热的制约，一些半导体无法驱动增加的全部晶体管，越来越多的电路不能充分运行。



      此外还存在成本的问题。电路的尺寸已极度缩小至病毒的10分之1以下。由于存在原子尺度这一制约，微细化的阻碍将逐年提高。开发和量产花费的成本也明显增加，相对于提高的性能，芯片的价格变得过高。

在此背景下，在水平和纵向两方向增加集成度的方法受到关注。目前正在以2个方向推进开发。




  

      其一是改变半导体元件的结构。目前，一种被称为鳍式场效应晶体管（FinFET）正在不断改良，还有一种使晶体管纵向集成的结构技术（环绕式栅极技术、gate-all-around，简称GAA)。制程的难度会更高，但元件的集成度也会更高。与此前相比，“漏电”更容易得到控制。IBM的尖端芯片也采用了GAA结构。



      另一个则是集成IC芯片的方法，而不是集成元件。通过将大量芯片结合起来的“芯粒”（Chiplet）形式，可以获得高于纵向堆叠的性能。只要克服热控制等课题，今后芯片的核心部分可以采用尖端技术，周边部分采用落后技术等。能以更廉价的成本实现与此前相同的性能。



      量产面临阻碍



      由于属于新技术，两者为实现量产而必须跨越的技术阻碍都很高。在此情况下，对支撑制程的设备企业的期待也随之提高。台积电（TSMC）在日本茨城县筑波市新建了“TSMC日本3DIC研究开发中心”，原因之一就是日本汇聚了半导体制造设备和原材料企业。



      有能力量产尖端半导体的企业已从此前的欧美和日本转移至台积电和三星电子等所在的东亚。不过，实现量产工序的制造设备仍处于由日美欧垄断的状态。美国的安全和新兴技术研究中心(CSET)的统计显示，从设备市场的份额（按金额计算）来看，日美欧的企业掌握88％。日本企业掌握29％。




  

      新制程的确立离不开设备企业。典型的是荷兰的阿斯麦（ASML）。阿斯麦实现了超微细加工不可或缺的“极紫外（EUV）”光刻的实用化。总市值截至2022年4月底超过了2300亿美元，10年时间增至10倍以上。



      极紫外光刻机对于日本的半导体产业来说曾是惨痛的回忆。率先提出该技术的是1986年任职于NTT的木下博雄。虽然日本有佳能和尼康等光刻机厂商，但技术依然处于下风。

困境和良机是互为表里的关系。2种三维集成技术已在各个阶段推进开发和采用。为了确立新制程，此前附加值相对较低的后工序的重要性提高，同时成熟的设备和技术重新涌现商机。在新技术之下，日本企业能否提高存在感，影响“后摩尔时代”的技术开发已经拉开竞争大幕。



      日本企业的新商机



      在元件的结构变化和芯片堆叠等新技术上，制程的复杂性变得更高，要求精度也随之提高。对于在制造设备领域掌握近3成份额的日本企业来说，出现了很多存在新商机的领域。




  

      “环绕式栅极技术（GAA）结构需要先进的制程技术”，东京电子企业创新本部的本部长助理关口章久如此表示。成膜和蚀刻不断增加复杂性和制程数量，东京电子在各种设备领域掌握着3～4成市场份额，将迎来商机。



      除了奥尔巴尼之外，东京电子还与阿斯麦等企业合作，将在与新一代光刻相关研发等领域展开活动。东京电子的竞争对手包括美国泛林研发公司(Lam Research)等大型企业，尖端技术开发的成败将影响未来的商机。



      对于芯片堆叠来说，后工序的技术成为关键。在使半导体背面变薄的“研削机(Grinder)”领域，日本迪思科(DISCO)占全球份额的一半，而在尖端半导体的封装基板领域，揖斐电和新光电气工业垄断了市场份额。



      成熟的技术领域也将出现新商机。在芯片堆叠时用于连接的零部件领域，布线的形成需使用与硅基板不同的特殊光刻设备。佳能在尖端封装的布线光刻设备领域掌握着市场份额的大部分。

network

日本以实现新一代半导体的国产化为目标成立的新企业于11月11日正式启动。该公司由丰田和NTT等8家企业出资，目标是2027年量产。目前日本在经济安全保障方面最为重要的半导体生产上依赖台湾，出现了地缘政治风险。虽然国产化势在必行，但2010年代日本并未投入资金进行最尖端产品的开发等，在国际竞争中败给了对手。这家新企业是日本挽回空白10年的“最后机会”（社长小池淳义）。

   

      新企业“Rapidus”计划在10年内投入5万亿日元进行设备投资等。8家企业共计出资73亿日元，日本政府也会提供700亿日元的补贴。社长小池淳义之前担任美国西部数据（Western Digital）日本法人的社长。会长由Tokyo Electron前社长东哲郎担任。

  


Rapidus会长东哲郎（右）和社长小池淳义握手（11月11日，东京都港区）


      日本将推进国产化的是对汽车自动驾驶和人工智能（AI）起到“大脑”作用的新一代逻辑半导体。半导体的电路线宽越小，性能越高。Rapidus的目标是2027年实现2纳米（1纳米为十亿分之一米）产品的国产化。台积电（TSMC）和三星电子已确立3纳米产品的量产技术，还计划2025年量产2纳米产品。小池社长提出计划称，将确立2纳米产品的制造技术等，“5年后在日本实现最尖端产品的代工”。

  

      20世纪70年代，日本半导体产业由国家主导，日立制作所及NEC等综合机电厂商具备了较高的竞争力，80年代后半期日本企业占据了50％的世界份额，日本产品曾席卷全球市场。

   

       但由于日美贸易摩擦导致出口受限等原因，日本企业的盈利能力下降，韩国、台湾企业的实力迅速提升，同时日本也失去了开发和量产尖端产品不可缺少的投资余力。由于未能跟上2010年代呈现出白热化的电路线宽微细化投资竞争，日本出现了近10年的技术空白。三星和台积电在经济不景气时期也坚持进行巨额投资，甩开了日本制造厂商等竞争对手，建立了高收益商业模式。

   

全球90％半导体依赖台湾

  

       日本重新振兴半导体产业的背景原因在于中美矛盾激化。目前向全球供应的10纳米以下尖端产品有90％在台湾生产。台海危机等地缘政治风险正在上升，一旦发生紧急情况，日本很有可能无法像以前一样确保半导体。



        日美将半导体视作经济安全保障的关键。日本政府和执政自民党已转向由政府主导推动国产化的方向。自民党于2021年5月成立了讨论半导体战略的议员联盟。日本经济产业省也紧跟着于2021年6月制定了“半导体战略”。



      日本在取得吸引台积电工厂落户等成果的同时推进的是以美国为合作伙伴的尖端产品开发构想。2022年5月，双方达成了以强化半导体供应链等为目的的半导体合作基本原则。通过此次成立Rapidus，日本的一系列半导体政策得以大幅推进。日本经济产业省一名官员严肃地说“成败在此一举”。


从事基础研究的是日本政府主导成立的共同研究开发基地。Rapidus的会长东哲郎担任理事长，Rapidus以外还有国内外企业和研究机构参与。



      计划加盟的美国IBM在尖端微细电路的基础研究领域有一定成果。日本也在半导体电路形成等使用的材料和制造装置领域拥有很高的份额。对美国企业而言，这将成为把自主技术用于量产的有力手段。






     关键是确保面向量产体制的人力、物力和资金。不仅需要拥有半导体制造知识的工程师，为了将来实现制造，还必须确保装置和工厂。还需要支撑先行投资局面的资金实力，与世界大型企业竞争的门槛很高。



  日本政府主导也有失败案例



      围绕半导体，日本过去也有很多投入政府资金的企业和振兴策略的失败案例。2000年～2010年代启动的尖端开发计划大多没有取得成果。2006年出现了由东芝、日立、瑞萨科技（现瑞萨电子）成立代工企业的构想，日本政府也起了推动作用。不过，各企业步调不一致，半年就失败了。



      以日立、NEC和三菱电机的半导体业务为母体的原尔必达存储器因投资竞争而财务恶化，虽然政府投入了资金，但2012年被迫申请适用《公司更生法》。



      此次新成立的Rapidus虽然汇聚了日本政府和企业的智慧，但出资的8家企业和政府等利害相关者很多。如果不能像拥有很强领导力的台积电和三星一样迅速做出经营判断，有可能重蹈覆辙。