為了推動新一代半導體的國産化，日本和美國已經開始合作。日本Rapidus向美國IBM派遣了100名技術人員。目標是掌握電路線寬2奈米的時代所需的GAA（全環繞柵極）技術。在技術變革之際，日本押上了重振半導體的命運。

  

       2奈米半導體的處理性能被認為比3奈米提高10%。耗電量能降低2~3成，對生活的影響很大，包括智慧手機的電池續航時間變長等。而在支撐人工智慧（AI）和自動駕駛的進步方面，2奈米半導體的實現也受到期待。

 

 

       美國東部紐約州建有IBM的半導體研究設施奧爾巴尼奈米技術中心（Albany Nanotech Complex）。在這裡，「日本的優秀人才和身在海外的日本技術人員開始匯聚」，IBM主管研究開發的高級副總裁達里奧·吉爾表示。

 

       Rapidus于2022年12月與IBM針對轉移IBM的2奈米技術達成合作。IBM于2021年在全球率先試製出2奈米半導體，Rapidus支付授權費，向IBM學習技術。4月派出了第一批人員。

 

       人類所能掌握的最難的技術之一

 

       Rapidus正在加緊招聘技術人員。瞄準日本在半導體領域具有一定存在感的1990~2000年代前半期在大型電子企業從事開發的人才等。但是，掌握2奈米技術並非易事。

 

       達里奧·吉爾表示，「製造時需要原子級的控制。表面加工、光刻、電晶體成型和性能控制等均需達到無與倫比的精度。這是人類所能掌握的最難的技術之一」。

 

IBM高級副總裁達里奧·吉爾

 

       Rapidus將於2025年4月在北海道千歲市設立試製生産線。如果其準備工作取得進展，將在紐約和北海道同步推進各種開發。達里奧·吉爾表示，「重點是能否提高生産率」，強調一大目標是成功實現Rapidus力爭2027年啟動的量産。

 

       對於已經開始的合作，日本政府不遺餘力地提供支援。日本經濟産業省4月表明向Rapidus追加2600億日元的補貼，列舉了向IBM派遣人員的主要用途。

 

       日本政府和相關企業合作為重振半導體而採取行動，原因不僅僅是經濟安全保障。當前正處於技術的過渡期，存在施展拳腳的機會。

 

       半導體的電晶體（元件）是長的，一直採用平面型結構。從過去約10年的尖端産品來看，自從美國英特爾在22奈米半導體上採用「FinFET結構」以來，就一直採用這種結構。台積電（TSMC）2022年底開始量産的3奈米半導體也採用FinFET結構。但是，如果低於2奈米，就不得不改變元件結構。原因是現有結構難以進一步提高性能。

 

       半導體借助通電時打開、不通電時關斷等方式來進行計算。由被稱為柵極（gate）的調節閥來控制是否通電。FinFET結構是在電流通道的四個側面中，柵極堵住三個方向。

 

 

       隨著半導體的微細化，柵極也會變得細小，控制能力減弱。如果比2奈米半導體更小，沒有以柵極堵住的地方的電流洩漏將增加。這樣會浪費電力，難以提高節能性能。而「全環繞柵極」則是將四個方向都用柵極圍起來，以防止洩漏。

 

       IBM留下的研發部門

 

       IBM在2015年因虧損而出售了半導體製造部門。為什麼現在卻成了Rapidus的領路人呢？其背景在於，IBM為了強化伺服器等的競爭力，留下了研發部門。

 

       實際上，IBM在2010年代後半期的5年裏投入30億美元，持續開發最尖端半導體。這成為目前的盈利來源雲業務等的基礎，IBM像重視量子電腦和AI等那樣，同等地重視半導體。IBM研究部門的副總裁穆克什·哈雷（Mukesh Khare）表示，「最尖端半導體對IBM的基礎設施業務來説是不可或缺的」。

 

       接手其製造部門的格羅方德（GlobalFoundries）于2023年4月起訴IBM，稱其在出售後繼續不當使用智慧財産權和商業秘密。不過，熟悉美國智慧財産權訴訟的日本律師一色太郎表示，「作出判決至少需要2~3年」，在此基礎上表示「技術日趨錯綜複雜，證明格羅方德説法的難度很大」。

 

       企業正在等待2奈米半導體問世。日本Preferred Networks正在開發自主半導體，以實現高性能的人工智慧。該公司首席執行官（CEO）西川徹針對Rapidus表示期待稱，「似乎能夠靈活地訂製（半導體），非常感興趣」。

 

       要想實現實用化，Rapidus需要克服很大障礙。舉例而言，如果Rapidus不能為使用半導體的企業充實支援電路設計的功能，就無法順利獲得訂單。此外，確保人才的競爭也日趨激烈。剛剛開始的與IBM的合作只是漫長道路上的一步。

 

       在微細化競爭中被甩開的日本企業

 

       半導體的整合度每2年翻一番。使這一「摩爾定律」成立的是微細化技術。不過，過去20年需要原子級的製造技術，實現這一目標的投資已膨脹至以萬億日元為單位的水準。目前，運作最先進生産線的企業實際上只有兩家。Rapidus面臨一場殘酷的比賽。

 

       半導體是在晶片上整合相當於電信號「開關」的電晶體，以低價格提供較高的運算能力。英特爾1971年為計算機開發的晶片配備了2300個電晶體。而現在，蘋果「iPhone14」搭載的晶片的電晶體數量達到160億。

 

       推動電晶體整合的是微細化。1971年處於微米（微米為100萬分之1米）級的微細化技術在半個世紀的時間裏發展到奈米級。與此同時，技術革新面臨的壁壘也越來越高。

  

尖端半導體需要先進的生産線（照片由ASML提供）

 

       以EUV光刻設備為代表，尖端半導體需要建設先進的生産線。

 

       隨著微細化競爭的激化，業內企業也迅速被淘汰。法國調查公司Yole的統計顯示，截至2002~2003年，涉足當時最先進的電路線寬130奈米的半導體的企業共有26家，其中包括10家日企。而到2010~2012年，涉足28~32奈米的企業總數減少至10家，日本企業實質上已經掉隊。

 

 

       2020~2022年涉足5~7奈米的企業只有台積電、三星電子和英特爾這3家。成功量産3奈米半導體的則只有台積電和三星。落後的英特爾提出了「到2025年重新奪回領導地位」（英特爾CEO帕特·季辛吉）的目標，正在迅速涉足尖端半導體的製造。

 

       1奈米的研發也已開始

 

       持續進行尖端開發的技術障礙主要集中在兩個方面。

 

       首先是半導體元件的知識。即使提高電晶體的整合度，如果功耗增加或處理速度降低，也不能説提高了作為「運算裝置」的性能。要解決這些問題，必須要更新形成電晶體的材料，還要有全環繞柵極這樣的新結構。

 

       當前，採用全環繞柵極的量産半導體的製造取得進展，著眼於1奈米的新型電晶體結構的開發已經啟動。目前正在討論的「CFET」採用更為複雜的結構，在上下方向堆疊電晶體。如果不願意在研發方面投入資源，就無法跟上新一代技術的發展。

 

       此外，製造流程的技術也變得更加重要。即使掌握可發揮高性能的電晶體結構和微細化技術，如果無法高效地生産沒有缺陷的産品，就無法提高收益。能在多大程度上提高生産線的成品率將決定勝負。

 

       除了承擔電路形成核心作用的光刻設備之外，與製造相關的各種技術和經驗的磨合也是關鍵。IBM的達里奧·吉爾指出，「這正是與實驗室的不同之處，世界上能夠做到的企業寥寥無幾」。

 

       台積電在這種量産技術上具備優勢。該公司為蘋果等大客戶提供高科技産品，獲得了豐厚的收益。雖然三星電子在技術方面與台積電展開競爭，包括在3奈米半導體上率先將全環繞柵極結構引入量産製程中，但苦於無法提高成品率。

 

       開發設備和製程的技術、確立量産工序所需的經營資源正在不斷膨脹。從處於領先地位的台積電來看，研發費用2022年達到54.72億美元，在10年間增至約4倍，投資現金流達到399億美元，超過4倍。

 

       在半導體産業，也有很多企業憑藉成熟的技術確保高利潤。涉足以45~130奈米為主的半導體的美國德州儀器公司2022財年（截至2022年12月）的凈利潤率高達43.7%，接近台積電（44.9%）。此外，日本的瑞薩電子也以MCU（微控制器）和模擬半導體為主業，實現了V型復甦。

 

       在推動人工智慧（AI）等技術不斷發展方面，日本也需要建立製造最先進半導體的基礎，這是日本産業界、政府和學界的共同想法。不過，投資競爭激烈，除了官方之外，還需要從民間籌集資金。熟練掌握尖端技術，打造生産率高的生産線，構建盈利能力高的經營模式——對Rapidus來説，這一切都是挑戰。

 

       日本經濟新聞（中文版：日經中文網）大越優樹、江口良輔

 

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