日本觀察｜“半導體即國家”，日本如何抓住振興半導體產業的“最後機會”_風聞

20世紀80年代，日本曾經是半導體產業的霸主，在全球半導體產業鏈中的份額超過50%。但從90年代後期開始，日本半導體產業不斷走下坡路，如今在全球的市場份額不到10%。

走出去智庫(CGGT)觀察到，為了到2035年實現復興“半導體大國”的夢想，“半導體即國家”已成為日本產業界的口頭禪，日本政府也出台一系列政策促進本國半導體產業的發展，以抓住在全球芯片市場上確立強勢地位的“最後機會”。

日本針對半導體行業有哪些促進措施？今天，走出去智庫(CGGT) 編譯美國戰略與國際研究中心（CSIS)Sujai Shivakumar等人的文章，供關注全球半導體產業發展的讀者參閲。

要 點

****1、****美日兩國政府都將半導體脆弱性視為緊迫優先事項，並認識到兩國都無法單獨追求先進芯片製造的路徑。

****2、****Rapidus-IBM-IMEC的合作可以説是全球半導體行業歷史上最雄心勃勃的項目之一。日本目前在芯片製造技術方面落後於全球領先者台積電和三星約10年，處於40納米工藝節點。該合作計劃在兩到三年內跨越多箇中間節點，從而開始生產2納米芯片。

****3、日本為強化其芯片製造能力將包括生產過程的“後端”——組裝、測試，特別是封裝，這在先進芯片的發展中扮演着關鍵角色。

正 文

日本正在採取重大的新工業政策，旨在恢復其半導體產業的國際競爭力。在20世紀80年代末，日本在該產業佔據了世界產量的50%以上，但到2022年已降至9%。如今，日本產業落後全球技術領先者約10年。近來日本的一些措施反映出政策制定者的緊迫感和關切，如日本已經放棄了貫穿戰後大部分時期的工業政策，包括限制外國投資和不允許外國主要製造商在日本運營。

如今，與外國合作伙伴的合作被視為必不可少。2022年5月4日，在第一次日美商業和工業夥伴關係（JUCIP）會議上，雙方就“半導體合作基本原則”達成一致，該原則概述了在建立更具韌性的半導體供應鏈方面合作目標和策略的願景。然後，在同一年5月23日舉行的美日峯會上，啓動了一個聯合工作組，以實施這些基本原則，以開發下一代半導體。在2022年7月的美日經濟政策委員會會議上，兩國同意在關鍵技術領域進行聯合研發，並且日本宣佈成立一個類似於美國國家半導體技術中心（NSTC）的公共研究機構——前沿半導體技術中心（LSTC）。

美日新的合作模式

儘管在之前的幾十年中，美日在許多領域宣佈了類似的合作協議，但往往很少產生實際影響，美日經濟政策委員會的協議是在新冠疫情以及芯片供應鏈中斷引發的經濟震盪的背景下達成的。

事實上，美日兩國政府都將半導體脆弱性視為緊迫優先事項，並認識到兩國都無法單獨追求先進芯片製造的路徑。疫情促使美日兩國政策制定者將焦點放在“經濟安全”概念上，以及降低戰略風險所需的工業政策。2022年5月，日本頒佈了《經濟安全促進法》（ESPA），將四項法律捆綁在一起。ESPA指示日本公司在決策中考慮經濟安全。

其結果是在日本和美國都出台了一系列“戲劇性”的政策措施，包括制定與半導體相關的重要產業促進立法，前所未有的雙邊芯片製造和研究合作，以及前所未有的對中國出口先進芯片技術的限制。日本的新半導體促進措施大致對應於美國在2022年制定的《芯片和科學法案》所採取的措施。類似地，日本最近對中國實施的23種芯片技術的出口管制大致與美國實施的類似貿易措施相符。

除了關於基本原則的雙邊美日協議外，這兩個國家還是美國東亞半導體供應鏈韌性工作組（也稱為“Fab 4”，芯片四方聯盟）的成員，這是一個由美國領導的半導體聯盟，還包括中國台灣和韓國。Fab 4於2023年2月舉行了首次會議，重點關注如何加強芯片供應鏈。更廣泛地説，日本和美國還在亞太地區的數字貿易問題上密切合作。

****日本在芯片製造方面面臨的挑戰是嚴峻的。日本最先進的晶圓廠使用40納米（nm）設計規則，比全球領先的台積電和三星落後約10年。日本的動態隨機存取存儲器（DRAM）生產商在20世紀80年代主導了全球市場，但現在基本退出了該業務，該國最先進的DRAM現在是由美國公司美光科技在其擁有和運營的設施中製造的。日本在某些半導體器件類型方面具有國際競爭力，如NAND存儲器、功率半導體、微控制器和CMOS圖像傳感器，但正如日本政府最近所承認的那樣，目前的芯片促進努力可能是該國在全球芯片市場上確立強勢地位的“最後機會”。

日本新興的半導體戰略

2021年6月，日本經濟、貿易和工業省（METI）宣佈了該國半導體和數字產業的核心戰略，包括以下要點：

**●******與美國建立合作伙伴關係。****這將使得到2020年代末能夠設計和生產下一代芯片（2納米及以下設計規則）成為可能，這一目標通過與IBM和歐洲研究機構IMEC合作，成立了由日本企業組成的Rapidus聯盟來追求。

**●**開發“顛覆性”的未來半導體技術。****為此，日本正在建立LSTC，一個由政府支持的先進芯片研究的研發中心。據報道，LSTC的構想源於美日討論，這些討論導致了基本原則的採納。IBM將支持LSTC的建立和工作。

**●**建立新的芯片製造基地以生產傳統設備。為實現這一目標，政府鼓勵全球最先進的半導體製造商——台積電與索尼和汽車零部件製造商電裝（Denso）合作成立了日本先進半導體制造公司，該公司正在熊本縣建設晶圓製造工廠。據報道，第二家台積電晶圓廠正在考慮中。

**●******對國內芯片製造提供補貼。****日本政府表示，將對國內外製造商生產指定類型的半導體設備（包括功率設備、微控制器和模擬設備）、設備、材料和原材料的資本支出補貼高達三分之一。補貼的條件是至少在國內生產10年，並要求製造商在全球短缺時優先發貨國內產品。

日本強調國際合作代表了該國政策的重大轉變，此前該國曾追求在半導體領域至少到20世紀90年代實現自給自足的政策。這與美國目前的認識相一致，即在沒有關鍵的外國夥伴關係的情況下，重新奪回芯片領導地位是不可能的。

Rapidus的啓動

日本經濟、貿易和工業省（METI）與美國的戰略合作於2022年8月啓動，成立了Rapidus聯盟，該聯盟由日本公司與IBM研究合作，開發IBM的2納米半導體技術，並在日本建設一個或多個晶圓廠進行製造。第一個晶圓廠將建在北海道，計劃在2026年至2027年之間啓動。Rapidus此前與比利時的IMEC建立了合作伙伴關係，後者是歐洲主要的微電子研究組織，與全球幾乎所有主要的半導體器件、設備和材料公司合作。

聯盟的股份由12位日本半導體專家持有，成員包括****豐田、索尼、NTT、NEC、Kioxia（東芝）、Softbank、電裝和三菱UFJ銀行等日本高科技和金融公司。值得注意的是，許多聯盟合作伙伴都是芯片的大型消費者；預計他們將構成聯盟產出的初始市場。Rapidus得到了日本政府的大力支持，據報道最初的資金為700億日元（約5.3億美元），其中大部分將用於從荷蘭ASML購買兩台極紫外光刻機（EUV）。2023年4月底，政府宣佈將向Rapidus提供額外的2600億日元（約19.4億美元），“以加強公司的研發工作”。預計Rapidus將需要約5萬億日元（約351億美元）的投資才能開始大規模生產。

美國政府還鼓勵成立Rapidus並促進IBM與該新實體的合作。然而，雙邊緊張關係依然存在。2023年3月，Rapidus的高管Orii Yasumitsu批評美國對半導體的出口管制“過於激進”，這是日本半導體行業的高管首次“公開表達對美國芯片法案的負面立場”。Orii進一步表示：“美國的規定過去削弱了日本的半導體產業。但現在美國再次試圖通過規定奪回全球半導體的優勢地位。韓國和日本必須共同應對美國的舉措。”

LSTC：前沿半導體技術中心

日本在半導體領域的新發展努力涉及產業、政府和學術界之間的緊密合作。因此，Rapidus計劃將得到LSTC的支持，LSTC於2022年12月成立，作為一個總體組織來協調日本的半導體研究。LSTC正在追求的研究主題與Rapidus的工作計劃密切相關。LSTC將得到日本現有的一些公共研究機構的支持：先進工業科學技術研究所（AIST）、日本理化學研究所（一個主要由政府資助的大型科學研究機構）和東京大學。LSTC將向“志同道合的”國家的研究人員開放。

LSTC將追求幾個關鍵主題：

● 建立領先的半導體電路設計技術

● 開發****全環繞（GAA）場效應晶體管的領先技術

● 開發能夠在芯片設計和製造之間實現快速轉換時間（TAT）的大規模生產技術

● 建立三維封裝技術

● 開發用於GAA結構和先進封裝的材料

LSTC計劃每年從日本頂尖大學選出幾十名學生和研究人員進行專業培訓。課程將由半導體制造和電信技術方面的專家授課。位於Rapidus試點工廠所在地的北海道將開設自己的培訓計劃。

激進的技術目標

****Rapidus-IBM-IMEC的合作可以説是全球半導體行業歷史上最雄心勃勃的項目之一。正如此前所述，日本目前在芯片製造技術方面落後於全球領先者台積電和三星約10年，處於40納米工藝節點。該聯盟計劃在兩到三年內跨越多箇中間節點，從而開始生產2納米芯片。這將構成一項無與倫比的技術壯舉。****跳過一個節點甚至會對公司產生重大壓力，如增加和更復雜的設計規則檢查、額外的計算需求、顯著增加的節點間IP設計師人員需求，以及許多難以實施的不斷發展的技術，而這些都要在時間和成本壓力增加的情況下進行，同時要在應對意想不到的技術未知風險。

Rapidus在先進芯片製造方面沒有經驗，迄今為止沒有跡象表明它將能夠從具有必要經驗的公司（如台積電和三星）獲取實際的專業知識。成功的關鍵可能是IBM的技術，該技術採用了GAA晶體管或“納米片FET”，可以實現超越當前FinFET技術（一種允許更快的開關速度和更高密度的3D晶體管）的器件縮放。根據一位消息來源者的説法，“這可能是自集成電路誕生以來最具顛覆性的晶體管設計。”IBM最近還宣佈了在互連技術方面的突破，將銅作為互連材料替換為釕（“互連3.0”），該材料可以擴展至一納米及以上，仍然可以作為有效的導體。

日本的芯片基礎設施

據報道，****美國的政策制定者和行業領袖開始將日本視為與中國不同的芯片生產中心，儘管成本較高。****在很大程度上，這種觀點反映了日本在最先進的芯片製造所需的工具和材料方面擁有非凡的能力，日本的供應商在其專業領域通常代表着世界最佳水平。這些領域包括：

**●******極紫外光刻（****EUV光刻）：****日本生產了大部分用於芯片製造的極紫外光刻設備，以便在先進節點進行製造。日本的東京電子（TEL）在EUV的內聯塗布/顯影機市場上幾乎佔據了全球市場的100%份額，這是Rapidus將用於製造2納米芯片的光刻技術。

**●******芯片堆疊：****TEL還與IBM密切合作，以在300毫米晶圓上實現全球首次的芯片堆疊操作。TEL在紐約州奧爾巴尼的奧爾巴尼納米級科學與工程學院（CNSE）擁有龐大的存在，將數百名員工派駐到這個設施中，IBM在該設施中進行大部分應用芯片製造的研發。2023年3月，TEL宣佈將投資1.67億美元，在日本東北部建設一座新的生產設施，以“預期將有半導體產業的需求復甦”。

**●******光掩模：****日本的JEOL和NuFlare公司在EUV光刻的掩模製造全球市場上佔有91%的份額。

**●******光刻膠處理：****日本的TEL和SCREEN公司在全球光刻膠處理設備市場上佔有96%的份額。

**●******高端光刻膠：****四家日本公司——信越化學、東京大化工、JSR和富士康電子材料——佔據了全球75%的高端光刻膠生產份額，用於先進芯片製造，並在所需的光刻膠生產方面幾乎壟斷了EU聚光光刻的設備。第五家日本公司，住友化學，最近進入了光刻膠生產市場。

**●******晶圓切割：****日本的Accretech、Okimoto、Toyo和Disco公司在全球晶圓切割設備市場上佔有95%的份額。日本的Rorze、Daifuku和Muratech公司在全球晶圓處理設備市場上佔有88%的份額。

**●******半導體材料：****日本是世界上最大的半導體材料市場，這一地位已持續幾十年，擁有超過50%的市場份額，其中包括掩模、光刻膠和硅晶圓等14種最關鍵的芯片製造材料。

**●******3D芯片封裝：****包括日產化學和昭和電工在內的日本半導體材料供應商正在進行重大的新投資，以開發和生產3D芯片封裝所需的材料。2024年，日產化學將開始大規模生產用於3D封裝的臨時粘合膠，該粘合膠用於在拋光和疊層過程中將硅晶圓粘附到玻璃基板上，並允許在不損壞的情況下取下晶圓。

**●******硅晶圓：****日本的SUMCO和信越化學兩家材料公司共佔據了全球硅晶圓市場的60%份額，這對芯片製造至關重要。

日本政府對美國投資者的支持

****日本政府在半導體領域的新促進努力涉及對其他在日本進行的美日製造合作提供財政支持。****政府向美國公司美光科技（Micron Technology）提供465億日元（3.2億美元），該公司在日本擁有和運營生產設施，用於製造DRAM芯片。

美光科技於2012年在日本建立了製造業務，當時它收購了破產的日本DRAM製造商Elpida Memories。據報道，日本政府的資金正在用於擴大美光在廣島的工廠，以生產公司的新型高容量低功耗1-beta DRAM芯片，這是迄今為止最高密度的DRAM芯片。美國駐日本大使拉姆·埃馬紐爾（Rahm Emmanuel）將此交易描述為兩國“致力於共同加強半導體供應鏈和國家安全”的一個例子。

2022年，日本政府表示將向日本的Kioxia和美國公司西部數據（Western Digital）****的合資企業提供929億日元（6.8億美元），用於在日本三重縣的合資企業生產基地製造3D閃存器件。

與台灣企業的合作

日本與IBM和IMEC的新的2納米芯片製造聯盟與台積電（TSMC）合作伙伴關係相呼應，以在日本工業中使用的舊芯片的製造，並開發先進的裝配、測試和封裝技術。台積電在日本已經取得很好的進展：

**●******2019年，****台積電在大阪建立了日本設計中心，以開發和改進半導體工藝技術。

**●******2021年3月，****台積電在日本筑波科學城成立了3D IC研發中心，支持與日本公司、公共研究機構和大學合作的先進半導體封裝研究。據報道，日本政府為該項目提供了190億日元（1.5億美元）的資金支持，約佔項目成本的一半。

**●******2021年11月，****台積電宣佈將與日本的索尼和電裝（Denso）合資超過20億美元，在日本熊本縣創建一個利用12、16、20和28納米工藝技術的半導體晶圓廠。電裝是日本重要的汽車零部件製造商，反映出自疫情爆發以來，日本汽車產業一直受到芯片短缺的困擾。該項目的建設於2022年4月開始，預計於2024年12月開始生產。據《日經新聞》報道，日本政府以總計4760億日元（35億美元）的鉅額補貼資助了這一努力，或許是日本政府向外國製造商提供的最大補貼。

**●**截至2022年12月，****據報道，索尼正在新晶圓廠附近建立一座設施，將從中獲得用於製造CMOS圖像傳感器的邏輯芯片。

**●******2023年2月，****台積電透露計劃在熊本縣建設第二座晶圓廠，與索尼和電裝合作，投資70億美元，將採用5納米和10納米工藝，並於2025年或之後開始運營。電裝認為新晶圓廠的10納米能力對確保自動駕駛汽車芯片的穩定供應至關重要。

對後端的新關注

日本為強化其芯片製造能力將包括生產過程的“後端”——組裝、測試，特別是封裝，這在先進芯片的發展中扮演着關鍵角色。目前，由於日本強調與中國和亞洲其他國家的國際合作，大部分後端操作包括封裝都位於其他地區。這種後端關注的一些關鍵要素包括：

● Rapidus的高級執行官Orii Yasumitsu在2022年12月表示，“人們更多地關注了前端（即晶圓製造），但我們也將在後端過程上工作……我們將建立整合的前端和後端生產線。”

● 半導體封裝陶瓷製造商京瓷（Kyocera）最近宣佈將投資620億日元（4.7億美元）建設其二十年來的首個新生產設施，生產用於先進芯片的封裝材料。

● 芯片測試設備製造商Advantest與台積電達成技術聯盟，用於開發高密度後端應用的測試設備，在筑波的台積電3D IC研發中心實施。

● 日本領先的光刻設備製造商佳能（Canon）推出後端光刻機，旨在在設備之間建立高密度連接，以在單個封裝中實現改進的性能和能源效率。

● 日本芯片設備製造商烏爾瓦克（Ulvac）正在改進其用於清除微小雜質的設備，由於封裝操作更加複雜，產生的微小雜質數量增加。這些雜質可能會影響芯片性能。

● 芯片材料供應商住友巴克萊（Sumitomo Bakelite）正在開發與先進後端生產過程兼容的特種樹脂。

日本的新半導體促進努力代表了一個重大轉變，不再繼續至少持續到1990年代的工業獨立政策。今天的目標是與美國和歐洲合作建立全球供應鏈，以減輕像疫情期間發生的衝擊，並減少對日益強硬的中國的依賴。美國和歐洲聯盟正在制定的半導體政策也在推動着類似的思考，為合作提供了潛在的豐富途徑。正如METI的一名官員在2022年8月所説，“世界和平無事，誰供應我們的芯片都無關緊要的時代已經過去。”日本的新政策是對這個新現實的雄心勃勃且可能有效的回應。

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本文僅代表原作者觀點，不代表走出去智庫立場。