2nm？沒那麼簡單！_風聞
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。01-03 18:35
日本Rapidus和IBM於今年12月13日宣佈稱，為量產2納米邏輯半導體，雙方建立了合作關係。
IBM長年以來一直積極進行研發尖端半導體，且曾經在美國紐約州擁有自己的300毫米晶圓工廠（於2014年轉給Global Foundries，後來，該工廠被安森美收購）。此外，IBM也在為自己品牌下的電腦生產所需半導體，同時也為客户提供尖端工藝的技術研發服務和晶圓代工服務。
IBM的尖端工藝技術研發服務作為一項Common Platform，通過創建通用型工藝技術和生產產線，有效降低了研發成本、並確保了第二供應商資源（Second Source）。最初，IBM、Chartered Semiconductor Manufacturing(現在的Global Foundries)、三星電子三家公司分別在各自的工廠裏提供通用型研發工藝，以研發90納米工藝（以及更先進的）。後來，英飛凌和Freescale Semiconductor(現在的NXP Semiconductors)也參與研發32納米制程。另外，IBM又聯手索尼、東芝研發和生產了用於PLAYSTATION 3的“Cell”，後來，又和AMD合作研發了SOI相關技術。在去年（2021年），有報道指出，英特爾正與IBM開展在尖端半導體方面的研發。綜上所述，IBM與大多數半導體廠家有過合作經驗。
研究開發和量產，完全是“兩碼事”
就以往的Common Platform而言，其實是“精確複製”(Copy Exactly)，即完全複製在IBM生產產線上構築的工藝，並應用於其他“夥伴工廠”。因此，從初級階段就獲得了極高的良率。
但是，據筆者瞭解，即使是同樣的設備、同樣的工藝、同樣的設備參數，也未必能獲得同樣的良率。當IBM、東芝、索尼在各自的半導體工廠生產Cell 處理器時，據説只有IBM的良率最低。只能説當時的日本還在生產尖端邏輯半導體，所以掌握了相應的量產技術。
如上所述，在2014年以後，IBM開始逐步放棄量產產線，公司僅保留對尖端工藝的研發小組。我們從IBM的高級副總裁、 IBM研究院總監 Dario Gil先生在接受記者採訪時的言談中發現可見一二：“半導體的發展趨勢即是創新，必須通過研究開發才可實現”。一直以來，支撐摩爾定律走到今天的是工藝的微縮化。即，只有更細微的工藝才有助於搭載更多的晶體管，同時單顆芯片的性能也就越豐富。最終，終端產品的附加值也就越高，也就成為了企業業績增長的源泉。近年來，谷歌和微軟等企業都在競相自行設計LSI/SOC，即，根據自身需求設計、生產專用LSI，然後為客户提供專項服務，這種做法是日本的OA（Office Automation，辦公自動化）設備企業曾經的一貫“打法”，數年來未曾改變。
為什麼Rapidus要引進IBM的2納米制程？
雙方建立合作關係後，Rapidus將會派技術人員到IBM位於美國紐約州奧爾巴尼市（Albany）的“Albany Nano Tech Complex（IBM主要在該據點推進研發工作）”學習。同時，Rapidus也在與IBM以外的企業合作研發2納米工藝，目標是到2020年代後半期（2026年一一2029年期間）開始量產。
Rapidus正在積極構建研發尖端半導體的體系，如與IBM一樣，已經與imec（是歐洲一家專門研發尖端半導體工藝的研究中心）建立了夥伴關係。
（圖片出自：日本經濟產業省官網）
不過，令人擔憂的是能否在2020年代後半期順利導入2納米制程。由於是一項從零開始研發的量產項目，且並不是一步步沿着微縮化路線走過來的，所以客觀來講，還是需要一定的時間的。此次IBM和Rapidus的合作是直接從Planer 到FinFET型。即使是直接挑戰GAA型，也是十分困難的（何況此次Rapidus避開了GAA型），對此，Rapidus的小池淳義代表董事社長表示：“從FinFET到Nano-sheet（納米片）是一個巨大的跳躍。如果不是長期從事尖端工藝研發工作的話，很難獲得GAA技術要領。由於結構的變化，因此在Albany學習後，將有利於實現跳躍”。
同時，在記者招待會上，小池先生還指出：“雖然是一大挑戰，但並不是不可以超越。”雖然GAA可以採用FinFET的大部分工藝，但也學習起來也是有難度的。此外，從IRDS 2022披露的邏輯半導體廠家標榜的“納米工藝技術藍圖”來看，2納米制程的量產在2025年。2028年量產1.5納米制程，2031年量產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2納米，其製程也有可能晚於其他先進廠家1一一2個代際。
（圖片出自：IEEE IRDS官網）
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，找到並確保合作研發尖端工藝的企業夥伴；
第二，增加一家可以實際生產製造晶圓的Foundry企業。
眾所周知，IBM沒有Foundry工廠，三星電子長期為IBM代工尖端邏輯半導體。據外海媒體報道，最先進的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説，但據説TSMC也曾在3納米的量產上費了很大功夫，因此，要想量產尖端工藝、且保證較高的良率，是要花費很長一段時間的。對於IBM而言，找到三星電子以外的Foundry量產廠家十分重要。
實際上，在SEMICON Japan 2022的開幕式（即討論會議）上，小池先生指出：“日本在尖端邏輯半導體方面落後了10一一20年的時間，如果可以獲得IBM的技術支持，將會十分有利”。在2022年12月13日的記者招待會上，Rapidus的東哲郎董事會長表示：“今天這樣的日美合作項目，IBM在兩年前就曾提出過”。
從這個意義上來説，Rapidus希望儘快掌握尖端工藝的技術，IBM希望找到第二家Foundry廠家，可謂是二者“一拍即合”！
量產的最大問題：採購EUV光刻機、技術成熟度
即使Rapidus在Albany學到了IBM的2納米制程技術，也不一定就能直接量產。
最大的問題不是IBM，而是安裝在SUNY Polytechnic Institute（包括Albany Nano Tech Complex）的EUV曝光設備：ADT（Alpha Demo Tool，首代EUV試做設備）、第三代“NEX:3300B”。（至少IBM沒有公佈已經導入了上述兩款設備以外的其他新款EUV曝光設備）
另一方面，必須要熟練使用全球最新款的EUV設備，才有望量產2納米制程（以及更先進製程）、才有望實現小池先生標榜的“成為全球交貨期最短的公司”。
此外，據預測，TSMC應該不會使用新一代的、高NA EUV（此處，NA=0.55）。如果，IBM可用的EUV和實際量產需要的EUV之間存在技術差距，就有必要填補這一差距。
另一方面，imec作為全球最先進的尖端技術研發單位，也與Rapidus建立了合作關係。據説，imec也與ASML建立了合作關係，並在引進ASML的最新款EUV曝光機，以用於研發工作。Rapidus應該可以利用與imec的合作關係，獲得ASML的最新一代光刻機的相關技術，並填補上述差距。
但是，另一個問題是Rapidus能否獲得光刻機。ASML的2022年光刻機出貨預測是55台。2023年為60多台，2025年計劃為90台。雖然ASML在逐步提高產能，但隨着半導體制程微縮化發展，採用EUV的層數也會越來越多，因此，未來各半導體廠家依然會繼續“爭搶”光刻機。據説，由於很難採購到光刻機，三星電子領導人在2020年秋季奔赴ASML談判後，於2021年成功引進了15台。
隨着公司的啓動，日本政府從國庫中調配了700億日元（約人民幣35億元）支援Rapidus，據説這筆資金計劃將被用於公司的基礎運營，實際上，該資金要在一段時間之後才可以落實。縱然實現量產，也需要一定數量的光刻機。從這個意義上來講，考慮到建設工廠、引進設備的日程，能否在2020年下半期實現量產，還是一個未知數。
利用2納米制程生產什麼？
在Rapidus披露要量產2納米的目標之後，很多聲音指出：“用2納米制程生產什麼？”
豐田汽車、電裝、NTT、IBM等企業都對Rapidus進行了投資，想必這些企業都是希望Rapidus能為自己代工半導體。但是，現在更重要的是Rapidus能否獲得蘋果、高通、AMD、英偉達、聯發科等尖端Fabless客户。上述客户目前都在委託TSMC、三星電子生產半導體。上述需要採用尖端工藝的客户都充分理解尖端工藝的附加價值，即使到了2納米時代，也不會發生很大變化。
下面是一個與工藝微縮化比較類似的討論話題：增加存儲容量後，存儲什麼呢？每次都會出現NAND（偶爾也會出現價格下滑的現象）的新的應用方式。需要用更高的速度、更低的功耗來處理未來誕生的龐大數據量，此外，目前還不清楚超級計算機（Super Computer）所要求的性能。由於提高了運算能力，所以實現了實時（Real Time）的AI處理，且可以模擬分子的複雜、長時間運動。從歷史經驗來看，一定會有某個企業找到新的用途，並將其作為新的商機、建立市場。即使是2納米，也會遵循上述規律。因此，重要的是掌握用户企業所要求的半導體性能技術。
此外，要誕生上述新市場，不僅需要培養Fabless半導體廠家，也需要整備行業的設計、研發環境。按照以往的IDM（Integrated Design and Manufacture，垂直整合製造） 模式，由一家公司設計、生產半導體，晶圓工廠僅需為母公司生產半導體、且是母公司指定功能的半導體，需求十分明確。但是，在如今的Foundry和Fabless分工十分明確的時代，僅有生產能力是沒有意義的，基於自身能力、併為客户提供更高價值的產品才更重要。縱然坐擁較高的技術，如果沒有客户認可，依然無法產生交易。
針對Rapidus的業務，小池先生列舉了三點：第一，人才培養；第二，基於最終市場、產品，構建生產體系；第三，基於半導體，實現綠色轉型（GX）。現在開始研發尖端半導體，然後在一定時間內趕上先進廠家，的確是十分困難的。長年活躍於半導體行業的小池先生、東哲郎先生都應該充分認識到了這一點。小池先生自Trecenti Technology（由日立製作所和UMC合作成立的Foundry工廠，現在為瑞薩電子那珂工廠的N3 產線）時代就積累了生產經驗，時至今日，依然對Foundry建設抱有相當高的熱情。從這個意義上來講，Rapidus有望在小池先生的領導下，研發出量產工藝、克服上述困難。日本的土地上真的能再次生產出尖端邏輯半導體嗎？讓我們繼續關注為實現該目標而踏出第一步的Rapidus的未來動向。