2nm那么難，日本成嗎？
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來源：半導體行業(yè)觀察
美國于近日確立了促進國內半導體生產的法案“CHIPS and Science Act（CHIPS法案）”，但三星電子（Samsung Electronics）、SK海力士（SK Hynix）等韓國半導體廠家是否接受美國政府的資金援助，還是未知數(shù)。
此外，日本政府為新設半導體工廠的企業(yè)，提供補助金，這筆補助金被用在了臺灣TSMC的熊本工廠、鎧俠（原東芝存儲半導體）&美國西部數(shù)據（以下簡稱為“WD”）的四日市工廠。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有所提高。
另外，日本經濟產業(yè)省曾發(fā)布新聞稱，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。而筆者認為，這是完全不可能的，簡直是天大的笑話！
筆者將在下文中詳細分析以上問題。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家。）
同時，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的方案，也不會有任何效果。此外，甚至日本政府還提出了“日本要在2025年開始量產2納米”等極具搞笑意義的方案，筆者認為這是非?；摹Ｕ媸且粯妒澜缂壍某舐劊P者真心希望不要確立以上法案。
美國試圖通過“CHIPS法案”強化半導體生產
為了強化美國本土的半導體生產，2022年8月9日，美國總統(tǒng)拜登簽署“CHIPS法案”，該法案正式生效。美國試圖通過此法案強化美國半導體生產。在美國設有半導體工廠和研發(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和研究開發(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（其中20億美元用于支援車載、國防系統(tǒng)等方向的傳統(tǒng)型半導體生產），132億美元（約人民幣910億元）用于研究開發(fā)和培養(yǎng)人才，5億美元（約人民幣35億元）用于國際信息通信技術安防和半導體供應鏈。
可以享受以上資金補助的半導體廠家如下圖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），用于建設生產處理器的工廠和Foundry工廠。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。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。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工廠。
圖1：有望享受美國“CHIPS法案”補助金的半導體廠家。
（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，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業(yè)后，美國的半導體生產能否得到改善呢？回答這個問題之前，先看看另外一個問題。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、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（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，將無法在以下中國工廠進行投資，TSMC南京工廠（40納米一一16納米，生產邏輯半導體）、三星中國西安工廠（3D NAND）、SK海力士中國無錫工廠（DRAM）和中國大連工廠（原屬于英特爾，3D NAND）。
其中，TSMC中國南京工廠份額在TSMC集團的占比較?。欢请娮游靼补S生產的3D NAND占三星集團的約40%；SK海力士大連工廠生產的3D NAND占其30%、無錫工廠生產的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”，將無法對位于中國的存儲半導體工廠增加投資，不僅無法生產出最先進的存儲半導體，連擴產也無法進行。這對存儲半導體而言，是“致命打擊”！
可能會有讀者問：“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、研發(fā)中心的企業(yè)而言，不接受數(shù)十億美元的補助，簡直是一個“沉重的打擊”！
此外，美國“CHIPS法案”中還規(guī)定了其他更苛刻的條件。
美國試圖進一步壓制中國
如今，美國把中國大陸最大的Foundry工廠放入其EL實體清單，禁止向其出口可生產10納米以下半導體的相關設備。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曝光設備無法向其出口。不僅僅是中國大廠，SK海力士也無法在無錫工廠將EUV設備應用于尖端DRAM的生產。
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ArF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28納米半導體（其實是16納米/14納米以及以上代際），美國政府已經向美國的設備廠家發(fā)出正式文件，禁止他們向中國出口相關設備。從上述報道來看，未來美國的“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，都將無法在中國工廠進行投資，同時都將陷入困境。
總而言之，美國是希望對中國進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(qū)、韓國的半導體廠家對美國失去信心。筆者認為美國的出口限制過于嚴格、過于考慮美國利益！
日本政府頒布法案支援半導體工廠建設
人們普遍認為日本經濟產業(yè)省依據下圖2，制定了半導體支援政策。下圖2在日本經濟產業(yè)省“半導體·數(shù)字化產業(yè)戰(zhàn)略（日本政府于2021年6月4日公布）”網站的“半導體戰(zhàn)略”文件第七頁。
圖2：日本經濟產業(yè)省制定半導體支援戰(zhàn)略的依據。
（圖片出自：jbpress）
如上圖所示，1988年日本半導體產業(yè)全球占比50.3%，2019年下滑至10%，照此發(fā)展下去，到2030年將會萎縮至0%。對此，經濟產業(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提供資金支持的法案。2021年12月20日，日本參議院全體會議中，執(zhí)政黨多數(shù)贊成并通過了次法案。
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的四日市工廠給與最大929億日元（約人民幣55億元）的資金補助。然而，還沒有決定是否對鎂光的廣島工廠進行資金援助。
那么，對TSMC熊本工廠、鎧俠和WD的四日市工廠進行資金援助后，日本的半導體全球占比真的會提高嗎？
圖3：日本政府針對新建半導體工廠，給與資金補助。
（圖片出自：jbpress）
能否通過補助金，提高日本的半導體全球市占率？
TSMC熊本Foundry工廠，28/22納米一一16/12納米邏輯半導體方向晶圓的約產能為5.5萬片。如果委托TSMC生產的的芯片設計公司（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，日本幾乎沒有Fabless企業(yè)。從SEMILINKS這一半導體相關網站來看，日本的Fabless僅有70家左右。此外，幾乎沒有任何關于這些企業(yè)的產品介紹、產品信息，可以說，在日本從事芯片設計的Fabless企業(yè)僅有以下五家企業(yè)：Thine電子株式會社（Thine Electronics,Inc.)、Mega Chips株式會社（MegaChips Corporation）、Mega Design Net株式會社（Magna Design Net, Inc.）、Logic Research株式會社、索喜株式會社（Socionext)。（另外，美國和臺灣地區(qū)有數(shù)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)會委托TSMC熊本工廠生產邏輯半導體呢？由于索尼和電裝是熊本的股東，這兩家可能會成為其客戶。但是，這兩家客戶的訂單應該無法填滿月產5.5萬片的產能。在TSMC熊本工廠月產5.5萬片的晶圓中，最多1萬一一2萬片是提供給日本客戶，剩余部分應該是提供給其他諸多海外客戶。盡管TSMC熊本工廠的“原始資本金”來自于日本的稅收，而卻不一定優(yōu)先為日本客戶供貨。
那么，鎧俠和WD的四日市工廠又如何呢？鎧俠&WD分別投資50%的設備生產NAND，生產的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、鎧俠和WD的四日市工廠予以資金補助，也不會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“2納米”，簡直是可笑至極
2022年7月29日，日本經濟新聞報道稱，日本和美國在量產半導體方面展開合作，日本和美國兩國政府于7月29日在美國首都華盛頓召開首次“經濟2plus2”會議，會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“新一代半導體生產技術研發(fā)中心（臨時名稱）”，計劃在2025年于日本國內量產2納米半導體。
至此，日本經濟產業(yè)省已經制定了多個令人無法理解的政策（所以日本的半導體產業(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年開始量產2納米半導體”一一這真是令人驚訝、震驚、不可思議！簡直是一條愚蠢至極的策略，日本半導體行業(yè)的相關人員不禁要問：“這樣的政策真的可以實施下去嗎”？（那么，日本政府可能會說：“政府不插手了”，但是，媒體在號召大家進行評論，所以筆者發(fā)表一下自己的見解。）
由于日本經濟產業(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召開了“Flash Forward Japan 存儲半導體·改革·座談會”，日本經濟產業(yè)省商務信息政策局總務科西川和見科長做了名為《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年開始量產2納米？？出自：西川和見（日本經濟產業(yè)?。?，《Current state of the art in semiconductors in Japan》、“Flash Forward Japan 存儲半導體·改革·座談會”，2022年8月10日。（圖片出自：jbpress）那么，為什么日本量產2納米半導體是可笑至極呢？（雖然很難解釋，但筆者還是要說明一下。）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，筆者進行了補充。）自45納米（日本可以生產）到2納米，共跨越了九個代際的微縮化，這究竟有多難呢？
首先，微縮化每發(fā)展一個代際，肯定會出現(xiàn)諸多問題，為解決這些問題，需要進行多次試錯實驗。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，無法實現(xiàn)人們期待的性能。此外，隨著微縮化發(fā)展，出現(xiàn)的問題也是各式各樣。
比方說，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年無法順利從14納米過度到10納米，在后來的五年里，10納米的啟動一直不順利（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（采用了最先進的EUV曝光設備）改為“Intel 4（i4）”。如今英特爾正在為實現(xiàn)i4而努力。
圖5：邏輯半導體和Foundry廠家的技術藍圖。 （圖片出自：jbpress）TSMC和三星在同一時間（2019年）啟動7納米，后來，雖然僅僅能看到6納米、5納米、4納米、3納米等一系列數(shù)字的進步，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，果斷進軍2納米。即使是獨享最尖端技術的TSMC，雖然曾經每兩年更替一個代際，但3納米并未能按計劃啟動，耗費了兩年半的時間，在2022年下半年，終于迎來了量產關鍵期。2納米代際晶體管采用新型GAA，進入量產可能要花費兩年半甚至三年的時間。因此，2納米的量產時間最快在2025年、甚至2026年。
如果日本“自2025年開始量產2納米”，那么，很有可能早于TSMC！從當下的45納米，跨越九個代際，比TSMC早量產2納米，這是多么異想天開的方案！不僅僅是“中學生和大學生的差距”在2022年8月3日的日本經濟新聞“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型是中學生、FinFET是高中生、GAA是大學生”。
而筆者認為2納米的難度不止如此。但是，偶爾也會有一些天才少年，直接從中學跳級升入大學，但是，對于半導體而言，直接從45納米過渡到2納米，跨越九個代際，是不可能的。
就半導體的微縮化發(fā)展而言，每個代際進步70%，其難度呈指數(shù)級增長。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。每一代際的研發(fā)都像“走鋼絲”一樣困難。比方說，研發(fā)從64M過渡到256M時，由于過于困難，當時甚至出現(xiàn)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納米的角度來看，2納米究竟是什么”這個問題！日本少年棒球聯(lián)盟的青少年球員一般會有以下夢想：“未來，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想是好事。但是，某個青少年球員希望“在三年后，進入美國職業(yè)棒球聯(lián)盟，且投打雙修！”當然這是不現(xiàn)實的。大家可能會對這個少年說：“先進入甲子園，然后以出色的成績進入日本職業(yè)棒球團，最后有望進入美國職業(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論述為何“日本計劃從2025年開始量產2納米”是不現(xiàn)實的。要量產2納米，其中一款必須的設備是僅荷蘭ASML可量產的尖端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廠家也都希望購買更多的EUV設備。
圖6：TSMC、三星、英特爾所擁有的EUV設備數(shù)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，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(shù)量（2022年為預測）。（圖片出自：jbpress）2020年年中，未交貨訂單（Open PO，即開口訂單，收到客戶訂單，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，也不一定買得到。“日本自2025年開始量產2納米”，即意味著日本在2025年擁有EUV設備，并熟練使用。
有夢想的棒球青少年球員即使利用魔法變身成為了大谷翔平，沒有EUV光刻機，依然無法量產2納米。筆者很想問問，日本經濟產業(yè)省的西川科長如何看待以上問題點。
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