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2nm芯片那么难,日本成吗?

美国于近日确立了促进国内半导体生产的法案“CHIPS and Science Act(CHIPS法案)”,但三…

美国于近日确立了促进国内半导体生产的法案“CHIPS and Science Act(CHIPS法案)”,但三星电子(Samsung Electronics)、SK海力士(SK Hynix)等韩国半导体厂家是否接受美国政府的资金援助,还是未知数。

此外,日本政府为新设半导体工厂的企业,提供补助金,这笔补助金被用在了台湾TSMC的熊本工厂、铠侠(原东芝存储半导体)&美国西部数据(以下简称为“WD”)的四日市工厂。但是,即使以上企业获得了日本政府的资金补助,日本的半导体全球市占率也不会有所提高。

另外,日本经济产业省曾发布新闻称,在2024年之前日本和美国合作研发2纳米逻辑半导体,并计划在日本量产。而笔者认为,这是完全不可能的,简直是天大的笑话!

笔者将在下文中详细分析以上问题。下文为笔者最初的感想。

对于美国的“以本国利益为中心的政策”,可能会引起其他国家半导体背离美国。(或许美国是为了把补助金仅支援给英特尔等美国本土半导体厂家。)

同时,即使日本的“不谙世事”的“职业官僚们”确立强化半导体生产的方案,也不会有任何效果。此外,甚至日本政府还提出了“日本要在2025年开始量产2纳米”等极具搞笑意义的方案,笔者认为这是非常滑稽的。真是一桩世界级的丑闻,笔者真心希望不要确立以上法案。

美国试图通过“CHIPS法案”强化半导体生产

为了强化美国本土的半导体生产,2022年8月9日,美国总统拜登签署“CHIPS法案”,该法案正式生效。美国试图通过此法案强化美国半导体生产。在美国设有半导体工厂和研发(R&D)中心的TSMC、三星电子、SK海力士到底是不是应该接受美国政府的援助呢?

该“CHIPS法案”指出,投资共527亿美元(约人民币3636亿元)用于美国的半导体生产和研究开发,明细如下,投资约390亿美元(约人民币2691亿元)用于吸引外资赴美建半导体工厂(其中20亿美元用于支援车载、国防系统等方向的传统型半导体生产),132亿美元(约人民币910亿元)用于研究开发和培养人才,5亿美元(约人民币35亿元)用于国际信息通信技术安防和半导体供应链。

可以享受以上资金补助的半导体厂家如下图1所示。美国英特尔(Intel)计划分别在亚利桑那州、俄亥俄州投资200亿一一300亿美元(约人民币1380亿元一一2070亿元),用于建设生产处理器的工厂和Foundry工厂。受到美国政府邀请的TSMC在美国亚利桑那州投资120亿美元(约人民币828亿元),用于建设5纳米Foundry工厂。对TSMC“紧追猛赶”的三星电子也不甘落后,在美国德克萨斯州投资170亿美元(约人民币1173亿元),用于建设尖端Foundry工厂。此外,SK海力士集团计划投资约220亿美元(约人民币1518亿元)在美国建设半导体研发中心和封装测试相关工厂。

据英特尔透露,假设美国政府共有100亿美元的支援计划,我们可以获得30亿美元的补助。因此,以上半导体厂家都在试图获得“CHIPS法案”中的补助金。

“CHIPS法案”补助金的利害

要说,美国将527亿美元(约人民币3636亿元)的补助金投入到半导体产业后,美国的半导体生产能否得到改善呢?回答这个问题之前,先看看另外一个问题。美国“CHIPS法案”中明确提到,“CHIPS法案”是为了削减成本、创造更多就业机会、强化半导体供应链、与中国抗衡。可以看出该法案带有明显的“保护性质(Guardrail)”。

依据该法案,如果TSMC、三星电子、SK海力士一旦享受美国“CHIPS法案”的补助,将无法在以下中国工厂进行投资,TSMC南京工厂(40纳米一一16纳米,生产逻辑半导体)、三星中国西安工厂(3D NAND)、SK海力士中国无锡工厂(DRAM)和中国大连工厂(原属于英特尔,3D NAND)。

其中,TSMC中国南京工厂份额在TSMC集团的占比较小;而三星电子西安工厂生产的3D NAND占三星集团的约40%;SK海力士大连工厂生产的3D NAND占其30%、无锡工厂生产的DRAM占其50%。

因此,一旦三星电子和SK海力士一旦享受了“CHIPS法案”的“福利”,将无法对位于中国的存储半导体工厂增加投资,不仅无法生产出最先进的存储半导体,连扩产也无法进行。这对存储半导体而言,是“致命打击”!

可能会有读者问:“必须要接受美国的补助金吗”?对于在成本极其高昂的美国建设半导体工厂、研发中心的企业而言,不接受数十亿美元的补助,简直是一个“沉重的打击”!

此外,美国“CHIPS法案”中还规定了其他更苛刻的条件。

美国试图进一步压制中国

如今,美国把中国大陆最大的Foundry工厂放入其EL实体清单,禁止向其出口可生产10纳米以下半导体的相关设备。因此,荷兰ASML的最尖端的可用于10纳米以下细微化加工的EUV曝光设备无法向其出口。不仅仅是中国大厂,SK海力士也无法在无锡工厂将EUV设备应用于尖端DRAM的生产。

据2022年7月6日彭博社报道,不仅仅是EUV光刻机,美国政府正试图对荷兰ASML和日本尼康施加压力,以禁止他们向中国出口ArF液浸光刻机。

此外,据2022年8月1日彭博社报道,为了阻碍中国生产28纳米半导体(其实是16纳米/14纳米以及以上代际),美国政府已经向美国的设备厂家发出正式文件,禁止他们向中国出口相关设备。从上述报道来看,未来美国的“禁止出口范围”很有可能波及到美国应用材料公司和日本东京电子株式会社。

因此,不论TSMC、三星电子、SK海力士是否接受美国政府“CHIPS法案”的资金补助,都将无法在中国工厂进行投资,同时都将陷入困境。

总而言之,美国是希望对中国进行彻头彻尾地出口限制。美国如此严格的限制很有可能引起台湾地区、韩国的半导体厂家对美国失去信心。笔者认为美国的出口限制过于严格、过于考虑美国利益!

日本政府颁布法案支援半导体工厂建设

人们普遍认为日本经济产业省依据下图2,制定了半导体支援政策。下图2在日本经济产业省“半导体·数字化产业战略(日本政府于2021年6月4日公布)”网站的“半导体战略”文件第七页。

2nm芯片那么难,日本成吗?插图

图2:日本经济产业省制定半导体支援战略的依据。

(图片出自:jbpress)

如上图所示,1988年日本半导体产业全球占比50.3%,2019年下滑至10%,照此发展下去,到2030年将会萎缩至0%。对此,经济产业省倍感危机,为了防止日本半导体占比的低下,确立了为新建半导体工厂提供资金支持的法案。2021年12月20日,日本参议院全体会议中,执政党多数赞成并通过了次法案。

基于该法案,日本政府于2022年6月17日决定对TSMC熊本工厂最大支援4760亿日元(约人民币280亿元)。此外,日本政府还在2022年7约26日决定对铠侠和WD的四日市工厂给与最大929亿日元(约人民币55亿元)的资金补助。然而,还没有决定是否对镁光的广岛工厂进行资金援助。

那么,对TSMC熊本工厂、铠侠和WD的四日市工厂进行资金援助后,日本的半导体全球占比真的会提高吗?

2nm芯片那么难,日本成吗?插图1

图3:日本政府针对新建半导体工厂,给与资金补助。

(图片出自:jbpress)

能否通过补助金,提高日本的半导体全球市占率?

TSMC熊本Foundry工厂,28/22纳米一一16/12纳米逻辑半导体方向晶圆的约产能为5.5万片。如果委托TSMC生产的的芯片设计公司(Fabless)都是日本企业,那么日本的半导体全球市占率有望相应地提高。

但是,日本几乎没有Fabless企业。从SEMILINKS这一半导体相关网站来看,日本的Fabless仅有70家左右。此外,几乎没有任何关于这些企业的产品介绍、产品信息,可以说,在日本从事芯片设计的Fabless企业仅有以下五家企业:Thine电子株式会社(Thine Electronics,Inc.)、Mega Chips株式会社(MegaChips Corporation)、Mega Design Net株式会社(Magna Design Net, Inc.)、Logic Research株式会社、索喜株式会社(Socionext)。(另外,美国和台湾地区有数百家Fabless企业,中国大陆有近3000家。)

那么,究竟是什么样的企业会委托TSMC熊本工厂生产逻辑半导体呢?由于索尼和电装是熊本的股东,这两家可能会成为其客户。但是,这两家客户的订单应该无法填满月产5.5万片的产能。在TSMC熊本工厂月产5.5万片的晶圆中,最多1万一一2万片是提供给日本客户,剩余部分应该是提供给其他诸多海外客户。尽管TSMC熊本工厂的“原始资本金”来自于日本的税收,而却不一定优先为日本客户供货。

那么,铠侠和WD的四日市工厂又如何呢?铠侠&WD分别投资50%的设备生产NAND,生产的NAND也是各取50%。铠侠是日本企业、WD是美国企业。因此,即使对铠侠和WD的四日市工厂予以补助,对提高日本半导体占比的贡献也仅有50%。

综上所述,即使日本政府对TSMC熊本工厂、铠侠和WD的四日市工厂予以资金补助,也不会提高日本半导体全球市占率。(即使稍有提高,也是微乎其微。)

日本政府宣布量产“2纳米”,简直是可笑至极

2022年7月29日,日本经济新闻报道称,日本和美国在量产半导体方面展开合作,日本和美国两国政府于7月29日在美国首都华盛顿召开首次“经济2plus2”会议,会议中提到日本和美国共同研发2纳米半导体,日本在年底之前成立“新一代半导体生产技术研发中心(临时名称)”,计划在2025年于日本国内量产2纳米半导体。

至此,日本经济产业省已经制定了多个令人无法理解的政策(所以日本的半导体产业才一片混乱),“日本和美国合作研发2纳米半导体,日本自2025年开始量产2纳米半导体”一一这真是令人惊讶、震惊、不可思议!简直是一条愚蠢至极的策略,日本半导体行业的相关人员不禁要问:“这样的政策真的可以实施下去吗”?(那么,日本政府可能会说:“政府不插手了”,但是,媒体在号召大家进行评论,所以笔者发表一下自己的见解。)

由于日本经济产业省似乎是在很认真地发布了以上政策,真让人头疼!8月10日在赤坂Inter City Conference召开了“Flash Forward Japan 存储半导体·改革·座谈会”,日本经济产业省商务信息政策局总务科西川和见科长做了名为《Current state of the art in semiconductors in Japan》的主题演讲。(下图4)

2nm芯片那么难,日本成吗?插图2

图4:日本和美国合作研发2纳米,日本自2025年开始量产2纳米??出自:西川和见(日本经济产业省),《Current state of the art in semiconductors in Japan》、“Flash Forward Japan 存储半导体·改革·座谈会”,2022年8月10日。

(图片出自:jbpress)

那么,为什么日本量产2纳米半导体是可笑至极呢?(虽然很难解释,但笔者还是要说明一下。)

2纳米半导体难在何处?

所谓半导体的“微缩化”,指的是每一代际缩小约70%。如下图4所示,日本自45纳米以后就不再有进步。45纳米以后为32纳米、22纳米、16/14纳米、10纳米、7纳米、5纳米、3纳米、2纳米。(西川先生的资料中遗漏了32纳米和10纳米,笔者进行了补充。)

自45纳米(日本可以生产)到2纳米,共跨越了九个代际的微缩化,这究竟有多难呢?

首先,微缩化每发展一个代际,肯定会出现诸多问题,为解决这些问题,需要进行多次试错实验。在28纳米/22纳米之前,晶体管的形状为“平面型(Planner)”,16纳米以后为FinFET,2纳米以后为GAA(Gate-All-Around,全环绕栅极晶体管),之所以有这么大的变化,是因为不改变晶体管结构,无法实现人们期待的性能。此外,随着微缩化发展,出现的问题也是各式各样。

比方说,在2015年之前以为被视为“微缩化头号玩家(Top Runner)”美国英特尔在2016年无法顺利从14纳米过度到10纳米,在后来的五年里,10纳米的启动一直不顺利(如下图5)。去年(2021年)Patrick Gelsinger就任英特尔第八代CEO,并将10纳米命名为“Intel 7(i7)”、7纳米(采用了最先进的EUV曝光设备)改为“Intel 4(i4)”。如今英特尔正在为实现i4而努力。

2nm芯片那么难,日本成吗?插图3

图5:逻辑半导体和Foundry厂家的技术蓝图。

(图片出自:jbpress)

TSMC和三星在同一时间(2019年)启动7纳米,后来,虽然仅仅能看到6纳米、5纳米、4纳米、3纳米等一系列数字的进步,但5纳米以后的良率很难提升,而且TSMC的3纳米采用了GAA构造,因此TSMC在3纳米代际陷入绝望,果断进军2纳米。

即使是独享最尖端技术的TSMC,虽然曾经每两年更替一个代际,但3纳米并未能按计划启动,耗费了两年半的时间,在2022年下半年,终于迎来了量产关键期。2纳米代际晶体管采用新型GAA,进入量产可能要花费两年半甚至三年的时间。因此,2纳米的量产时间最快在2025年、甚至2026年。

如果日本“自2025年开始量产2纳米”,那么,很有可能早于TSMC!从当下的45纳米,跨越九个代际,比TSMC早量产2纳米,这是多么异想天开的方案!

不仅仅是“中学生和大学生的差距”

在2022年8月3日的日本经济新闻“Deep Insight”中,针对2纳米的难度,Common Data的中山淳史先生做了以下比喻:“Planner型是中学生、FinFET是高中生、GAA是大学生”。

而笔者认为2纳米的难度不止如此。但是,偶尔也会有一些天才少年,直接从中学跳级升入大学,但是,对于半导体而言,直接从45纳米过渡到2纳米,跨越九个代际,是不可能的。

就半导体的微缩化发展而言,每个代际进步70%,其难度呈指数级增长。20多年前,笔者曾参与研发了4M、16M、64M、256M的DRAM研发和量产。每一代际的研发都像“走钢丝”一样困难。比方说,研发从64M过渡到256M时,由于过于困难,当时甚至出现了“莫非256M是做不到的?”这样的想法。半导体微缩化发展真的非常困难。

因此,下面的比喻可以回答“站在45纳米的角度来看,2纳米究竟是什么”这个问题!日本少年棒球联盟的青少年球员一般会有以下梦想:“未来,成为美国职业棒球联盟球员,像大谷翔平一样投打双修!”当然,青少年棒球球员怀有梦想是好事。但是,某个青少年球员希望“在三年后,进入美国职业棒球联盟,且投打双修!”当然这是不现实的。大家可能会对这个少年说:“先进入甲子园,然后以出色的成绩进入日本职业棒球团,最后有望进入美国职业棒球联盟。”

45纳米和2纳米的差距,就像青少年棒球队员与隶属于美国职业棒球联盟的、投打双修的大谷翔平的差距一样。

如何获得EUV?

最后,最后笔者再基于事实论述为何“日本计划从2025年开始量产2纳米”是不现实的。要量产2纳米,其中一款必须的设备是仅荷兰ASML可量产的尖端EUV曝光设备。

据预测,在2025年,TSMC拥有100台光刻机、三星有35台、英特尔有15台(下图6)。但是,这三家公司都希望有更多的EUV设备。除了以上三家,SK海力士、镁光、南亚等DRAM厂家也都希望购买更多的EUV设备。

2nm芯片那么难,日本成吗?插图4

图6:TSMC、三星、英特尔所拥有的EUV设备数量(预测)。笔者根据预测值制作了此图。

(图片出自:jbpress)

ASML自2016年开始出货EUV设备(下图7)。2016年出货5台、2017年出货10台,2018年出货18台,2019年出货26台,2020年出货31台,2021年出货42台,今年(2022年)计划出货55台(但是有消息称,今年受到零部件供给不足的影响,出货量可能停滞在40台左右。)

2nm芯片那么难,日本成吗?插图5

图7:ASML的EUV设备出货数量(2022年为预测)。

(图片出自:jbpress)

2020年年中,未交货订单(Open PO,即开口订单,收到客户订单,但未能交货)为56台,今年(2022年)未交货订单达到了100台。

总而言之,如今的情况是即使向ASML订货,也不一定买得到。“日本自2025年开始量产2纳米”,即意味着日本在2025年拥有EUV设备,并熟练使用。

有梦想的棒球青少年球员即使利用魔法变身成为了大谷翔平,没有EUV光刻机,依然无法量产2纳米。笔者很想问问,日本经济产业省的西川科长如何看待以上问题点。

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作者: 小蜗牛

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