2nm？沒那么簡(jiǎn)單！

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

IBM長(zhǎng)年以來一直積極進(jìn)行研發(fā)尖端半導(dǎo)體，且曾經(jīng)在美國(guó)紐約州擁有自己的300毫米晶圓工廠（于2014年轉(zhuǎn)給Global Foundries，后來，該工廠被安森美收購(gòu)）。此外，IBM也在為自己品牌下的電腦生產(chǎn)所需半導(dǎo)體，同時(shí)也為客戶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(xiàng)Common Platform，通過創(chuàng)建通用型工藝技術(shù)和生產(chǎn)產(chǎn)線，有效降低了研發(fā)成本、并確保了第二供應(yīng)商資源（Second Source）。最初，IBM、Chartered Semiconductor Manufacturing(現(xiàn)在的Global Foundries)、三星電子三家公司分別在各自的工廠里提供通用型研發(fā)工藝，以研發(fā)90納米工藝（以及更先進(jìn)的）。后來，英飛凌和Freescale Semiconductor(現(xiàn)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，又和AMD合作研發(fā)了SOI相關(guān)技術(shù)。在去年（2021年），有報(bào)道指出，英特爾正與IBM開展在尖端半導(dǎo)體方面的研發(fā)。綜上所述，IBM與大多數(shù)半導(dǎo)體廠家有過合作經(jīng)驗(yàn)。

研究開發(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(fù)制”(Copy Exactly)，即完全復(fù)制在IBM生產(chǎn)產(chǎn)線上構(gòu)筑的工藝，并應(yīng)用于其他“伙伴工廠”。因此，從初級(jí)階段就獲得了極高的良率。

但是，據(jù)筆者了解，即使是同樣的設(shè)備、同樣的工藝、同樣的設(shè)備參數(shù)，也未必能獲得同樣的良率。當(dāng)IBM、東芝、索尼在各自的半導(dǎo)體工廠生產(chǎn)Cell 處理器時(shí)，據(jù)說只有IBM的良率最低。只能說當(dāng)時(shí)的日本還在生產(chǎn)尖端邏輯半導(dǎo)體，所以掌握了相應(yīng)的量產(chǎn)技術(shù)。

如上所述，在2014年以后，IBM開始逐步放棄量產(chǎn)產(chǎn)線，公司僅保留對(duì)尖端工藝的研發(fā)小組。我們從IBM的高級(jí)副總裁、 IBM研究院總監(jiān) Dario Gil先生在接受記者采訪時(shí)的言談中發(fā)現(xiàn)可見一二：“半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢(shì)即是創(chuàng)新，必須通過研究開發(fā)才可實(shí)現(xiàn)”。一直以來，支撐摩爾定律走到今天的是工藝的微縮化。即，只有更細(xì)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(jī)?cè)鲩L(zhǎng)的源泉。近年來，谷歌和微軟等企業(yè)都在競(jìng)相自行設(shè)計(jì)LSI/SOC，即，根據(jù)自身需求設(shè)計(jì)、生產(chǎn)專用LSI，然后為客戶提供專項(xiàng)服務(wù)，這種做法是日本的OA（Office Automation，辦公自動(dòng)化）設(shè)備企業(yè)曾經(jīng)的一貫“打法”，數(shù)年來未曾改變。

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(guó)紐約州奧爾巴尼市（Albany）的“Albany Nano Tech Complex（IBM主要在該據(jù)點(diǎn)推進(jìn)研發(fā)工作）”學(xué)習(xí)。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(biāo)是到2020年代后半期（2026年一一2029年期間）開始量產(chǎn)。

Rapidus正在積極構(gòu)建研發(fā)尖端半導(dǎo)體的體系，如與IBM一樣，已經(jīng)與imec（是歐洲一家專門研發(fā)尖端半導(dǎo)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(jì)產(chǎn)業(yè)省官網(wǎng)）

不過，令人擔(dān)憂的是能否在2020年代后半期順利導(dǎo)入2納米制程。由于是一項(xiàng)從零開始研發(fā)的量產(chǎn)項(xiàng)目，且并不是一步步沿著微縮化路線走過來的，所以客觀來講，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(zhàn)GAA型，也是十分困難的（何況此次Rapidus避開了GAA型），對(duì)此，Rapidus的小池淳義代表董事社長(zhǎng)表示：“從FinFET到Nano-sheet（納米片）是一個(gè)巨大的跳躍。如果不是長(zhǎng)期從事尖端工藝研發(fā)工作的話，很難獲得GAA技術(shù)要領(lǐng)。由于結(jié)構(gòu)的變化，因此在Albany學(xué)習(xí)后，將有利于實(shí)現(xiàn)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(zhàn)，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(xí)起來也是有難度的。此外，從IRDS 2022披露的邏輯半導(dǎo)體廠家標(biāo)榜的“納米工藝技術(shù)藍(lán)圖”來看，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)廠家1一一2個(gè)代際。

IRDS 2022公布的光刻技術(shù)藍(lán)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沒有Foundry工廠，三星電子長(zhǎng)期為IBM代工尖端邏輯半導(dǎo)體。據(jù)外海媒體報(bào)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途說，但據(jù)說TSMC也曾在3納米的量產(chǎn)上費(fèi)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(fèi)很長(zhǎng)一段時(shí)間的。對(duì)于IBM而言，找到三星電子以外的Foundry量產(chǎn)廠家十分重要。

實(shí)際上，在SEMICON Japan 2022的開幕式（即討論會(huì)議）上，小池先生指出：“日本在尖端邏輯半導(dǎo)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(zhǎng)表示：“今天這樣的日美合作項(xiàng)目，IBM在兩年前就曾提出過”。

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

量產(chǎn)的最大問題：采購(gòu)EUV光刻機(jī)、技術(shù)成熟度

即使Rapidus在Albany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)。

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

另一方面，必須要熟練使用全球最新款的EUV設(shè)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(xiàn)小池先生標(biāo)榜的“成為全球交貨期最短的公司”。

此外，據(jù)預(yù)測(cè)，TSMC應(yīng)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(bǔ)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(jù)說，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(jī)，以用于研發(fā)工作。Rapidus應(yīng)該可以利用與imec的合作關(guān)系，獲得ASML的最新一代光刻機(jī)的相關(guān)技術(shù)，并填補(bǔ)上述差距。

但是，另一個(gè)問題是Rapidus能否獲得光刻機(jī)。ASML的2022年光刻機(jī)出貨預(yù)測(cè)是55臺(tái)。2023年為60多臺(tái)，2025年計(jì)劃為90臺(tái)。雖然ASML在逐步提高產(chǎn)能，但隨著半導(dǎo)體制程微縮化發(fā)展，采用EUV的層數(shù)也會(huì)越來越多，因此，未來各半導(dǎo)體廠家依然會(huì)繼續(xù)“爭(zhēng)搶”光刻機(jī)。據(jù)說，由于很難采購(gòu)到光刻機(jī)，三星電子領(lǐng)導(dǎo)人在2020年秋季奔赴ASML談判后，于2021年成功引進(jìn)了15臺(tái)。

隨著公司的啟動(dòng)，日本政府從國(guó)庫(kù)中調(diào)配了700億日元（約人民幣35億元）支援Rapidus，據(jù)說這筆資金計(jì)劃將被用于公司的基礎(chǔ)運(yùn)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(xiàn)量產(chǎn)，也需要一定數(shù)量的光刻機(jī)。從這個(gè)意義上來講，考慮到建設(shè)工廠、引進(jìn)設(shè)備的日程，能否在2020年下半期實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，還是一個(gè)未知數(shù)。

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(biāo)之后，很多聲音指出：“用2納米制程生產(chǎn)什么？”

豐田汽車、電裝、NTT、IBM等企業(yè)都對(duì)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(dǎo)體。但是，現(xiàn)在更重要的是Rapidus能否獲得蘋果、高通、AMD、英偉達(dá)、聯(lián)發(fā)科等尖端Fabless客戶。上述客戶目前都在委托TSMC、三星電子生產(chǎn)半導(dǎo)體。上述需要采用尖端工藝的客戶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似的討論話題：增加存儲(chǔ)容量后，存儲(chǔ)什么呢？每次都會(huì)出現(xiàn)NAND（偶爾也會(huì)出現(xiàn)價(jià)格下滑的現(xiàn)象）的新的應(yīng)用方式。需要用更高的速度、更低的功耗來處理未來誕生的龐大數(shù)據(jù)量，此外，目前還不清楚超級(jí)計(jì)算機(jī)（Super Computer）所要求的性能。由于提高了運(yùn)算能力，所以實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)（Real Time）的AI處理，且可以模擬分子的復(fù)雜、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)。從歷史經(jīng)驗(yàn)來看，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(jī)、建立市場(chǎng)。即使是2納米，也會(huì)遵循上述規(guī)律。因此，重要的是掌握用戶企業(yè)所要求的半導(dǎo)體性能技術(shù)。

此外，要誕生上述新市場(chǎng)，不僅需要培養(yǎng)Fabless半導(dǎo)體廠家，也需要整備行業(yè)的設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)、生產(chǎn)半導(dǎo)體，晶圓工廠僅需為母公司生產(chǎn)半導(dǎo)體、且是母公司指定功能的半導(dǎo)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)能力是沒有意義的，基于自身能力、并為客戶提供更高價(jià)值的產(chǎn)品才更重要?？v然坐擁較高的技術(shù)，如果沒有客戶認(rèn)可，依然無法產(chǎn)生交易。

針對(duì)Rapidus的業(yè)務(wù)，小池先生列舉了三點(diǎn)：第一，人才培養(yǎng)；第二，基于最終市場(chǎng)、產(chǎn)品，構(gòu)建生產(chǎn)體系；第三，基于半導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型（GX）?，F(xiàn)在開始研發(fā)尖端半導(dǎo)體，然后在一定時(shí)間內(nèi)趕上先進(jìn)廠家，的確是十分困難的。長(zhǎng)年活躍于半導(dǎo)體行業(yè)的小池先生、東哲郎先生都應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)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，現(xiàn)在為瑞薩電子那珂工廠的N3 產(chǎn)線）時(shí)代就積累了生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，時(shí)至今日，依然對(duì)Foundry建設(shè)抱有相當(dāng)高的熱情。從這個(gè)意義上來講，Rapidus有望在小池先生的領(lǐng)導(dǎo)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(dǎo)體嗎？讓我們繼續(xù)關(guān)注為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)而踏出第一步的Rapidus的未來動(dòng)向。