日本企業(yè)已經(jīng)卡住未來芯片的脖子？

所謂「摩爾定律」，是指半導(dǎo)體芯片的性能每隔大約2年就會提高2倍。這個定律已經(jīng)應(yīng)驗了半個世紀(jì)，但現(xiàn)在正在迎來極限。在微細(xì)化技術(shù)日趨成熟的背景下，構(gòu)成電路的晶體管（元件）和集成電路（IC）芯片縱向集聚的2種「三維化」技術(shù)正在取得進(jìn)展。為了確立新制程，設(shè)備企業(yè)的重要性再次提高，日本企業(yè)受到的關(guān)注也隨之加強(qiáng)。

5月上旬訪美的日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)相萩生田光一造訪了位于紐約州的半導(dǎo)體研究設(shè)施「奧爾巴尼奈米技術(shù)中心(Albany Nanotech Complex)」。正如名稱所示，這里正在研發(fā)奈米級的芯片微細(xì)化技術(shù)。元件結(jié)構(gòu)是新一代半導(dǎo)體的關(guān)鍵，該中心將推進(jìn)以此前設(shè)計無法實現(xiàn)的尖端領(lǐng)域研究。

以在奧爾巴尼設(shè)有研發(fā)工廠的美國IBM為代表，東京電子等日本企業(yè)也將參與研發(fā)?！笧榱舜_保最尖端領(lǐng)域的研發(fā)和制造能力，希望日美能加深合作，推進(jìn)相關(guān)研究」，萩生田在與IBM高管的意見交流會上如此表示。

IBM此前出售了半導(dǎo)體部門，但留下了研發(fā)部門繼續(xù)推進(jìn)尖端技術(shù)開發(fā)，2021年宣布開發(fā)出了「2奈米」半導(dǎo)體。據(jù)其介紹，這是「能在指甲大小的芯片上搭載500億個元件」的尖端產(chǎn)品。

半導(dǎo)體將晶體管電流的「開關(guān)」轉(zhuǎn)變?yōu)椤?.0」這種數(shù)位信號。如果使電路變得微細(xì)，同樣面積的基板能集成更多元件，性能也將得到提高。作為英特爾創(chuàng)始人的戈登·摩爾(Gordon Moore)于1965年提出，「晶體管的集成度約每2年翻一番」。這些年來，半導(dǎo)體以這種速度提高集成度，不斷推出高速且耗電量少的產(chǎn)品。

性能的提高存在極限

不過，人們意識到這種性能提高也存在極限。其一是電力的問題。隨著微細(xì)化的不斷發(fā)展，芯片容易發(fā)生各種「漏電」，無法像原來一樣抑制耗電量。由于受電力和發(fā)熱的制約，一些半導(dǎo)體無法驅(qū)動增加的全部晶體管，越來越多的電路不能充分運(yùn)行。

此外還存在成本的問題。電路的尺寸已極度縮小至病毒的10分之1以下。由于存在原子尺度這一制約，微細(xì)化的阻礙將逐年提高。開發(fā)和量產(chǎn)花費的成本也明顯增加，相對于提高的性能，芯片的價格變得過高。

在此背景下，在水平和縱向兩方向增加集成度的方法受到關(guān)注。目前正在以2個方向推進(jìn)開發(fā)。

其一是改變半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)。目前，一種被稱為鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）正在不斷改良，還有一種使晶體管縱向集成的結(jié)構(gòu)技術(shù)（環(huán)繞式柵極技術(shù)、gate-all-around，簡稱GAA)。制程的難度會更高，但元件的集成度也會更高。與此前相比，「漏電」更容易得到控制。IBM的尖端芯片也采用了GAA結(jié)構(gòu)。

另一個則是集成IC芯片的方法，而不是集成元件。通過將大量芯片結(jié)合起來的「芯?！梗–hiplet）形式，可以獲得高于縱向堆棧的性能。只要克服熱控制等課題，今后芯片的核心部分可以采用尖端技術(shù)，周邊部分采用落后技術(shù)等。能以更廉價的成本實現(xiàn)與此前相同的性能。

量產(chǎn)面臨阻礙

由于屬于新技術(shù)，兩者為實現(xiàn)量產(chǎn)而必須跨越的技術(shù)阻礙都很高。在此情況下，對支撐制程的設(shè)備企業(yè)的期待也隨之提高。臺積電（TSMC）在日本茨城縣筑波市新建了「TSMC日本3DIC研究開發(fā)中心」，原因之一就是日本匯聚了半導(dǎo)體制造設(shè)備和原材料企業(yè)。

有能力量產(chǎn)尖端半導(dǎo)體的企業(yè)已從此前的歐美和日本轉(zhuǎn)移至臺積電和三星電子等所在的東亞。不過，實現(xiàn)量產(chǎn)工序的制造設(shè)備仍處于由日美歐壟斷的狀態(tài)。美國的安全和新興技術(shù)研究中心(CSET)的統(tǒng)計顯示，從設(shè)備市場的份額（按金額計算）來看，日美歐的企業(yè)掌握88％。日本企業(yè)掌握29％。

新制程的確立離不開設(shè)備企業(yè)。典型的是荷蘭的阿斯麥（ASML）。阿斯麥實現(xiàn)了超微細(xì)加工不可或缺的「極紫外（EUV）」光刻的實用化。總市值截至2022年4月底超過了2300億美元，10年時間增至10倍以上。

極紫外光刻機(jī)對于日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說曾是慘痛的回憶。率先提出該技術(shù)的是1986年任職于NTT的木下博雄。雖然日本有佳能和尼康等光刻機(jī)廠商，但技術(shù)依然處于下風(fēng)。

困境和良機(jī)是互為表里的關(guān)系。2種三維集成技術(shù)已在各個階段推進(jìn)開發(fā)和采用。為了確立新制程，此前附加值相對較低的后制程的重要性提高，同時成熟的設(shè)備和技術(shù)重新涌現(xiàn)商機(jī)。在新技術(shù)之下，日本企業(yè)能否提高存在感，影響「后摩爾時代」的技術(shù)開發(fā)已經(jīng)拉開競爭大幕。

日本企業(yè)的新商機(jī)

在元件的結(jié)構(gòu)變化和芯片堆棧等新技術(shù)上，制程的復(fù)雜性變得更高，要求精度也隨之提高。對于在制造設(shè)備領(lǐng)域掌握近3成份額的日本企業(yè)來說，出現(xiàn)了很多存在新商機(jī)的領(lǐng)域。

「環(huán)繞式柵極技術(shù)（GAA）結(jié)構(gòu)需要先進(jìn)的制程技術(shù)」，東京電子企業(yè)創(chuàng)新本部的本部長助理關(guān)口章久如此表示。成膜和蝕刻不斷增加復(fù)雜性和制程數(shù)量，東京電子在各種設(shè)備領(lǐng)域掌握著3～4成市占率，將迎來商機(jī)。

除了奧爾巴尼之外，東京電子還與阿斯麥等企業(yè)合作，將在與新一代光刻相關(guān)研發(fā)等領(lǐng)域展開活動。東京電子的競爭對手包括美國泛林研發(fā)公司(Lam Research)等大型企業(yè)，尖端技術(shù)開發(fā)的成敗將影響未來的商機(jī)。

對于芯片堆棧來說，后制程的技術(shù)成為關(guān)鍵。在使半導(dǎo)體背面變薄的「研削機(jī)(Grinder)」領(lǐng)域，日本迪思科(DISCO)占全球份額的一半，而在尖端半導(dǎo)體的封裝基板領(lǐng)域，揖斐電和新光電氣工業(yè)壟斷了市占率。

成熟的技術(shù)領(lǐng)域也將出現(xiàn)新商機(jī)。在芯片堆棧時用于連接的零部件領(lǐng)域，布線的形成需使用與硅基板不同的特殊光刻設(shè)備。佳能在尖端封裝的布線光刻設(shè)備領(lǐng)域掌握著市占率的大部分。