为了推动新一代半导体的国产化，日本和美国已经开始合作。日本Rapidus向美国IBM派遣了100名技术人员。目标是掌握电路线宽2纳米的时代所需的GAA（全环绕栅极）技术。在技术变革之际，日本押上了重振半导体的命运。

  

       2纳米半导体的处理性能被认为比3纳米提高10%。耗电量能降低2~3成，对生活的影响很大，包括智能手机的电池续航时间变长等。而在支撑人工智能（AI）和自动驾驶的进步方面，2纳米半导体的实现也受到期待。

 

 

       美国东部纽约州建有IBM的半导体研究设施奥尔巴尼纳米技术中心（Albany Nanotech Complex）。在这里，“日本的优秀人才和身在海外的日本技术人员开始汇聚”，IBM主管研究开发的高级副总裁达里奥·吉尔表示。

 

       Rapidus于2022年12月与IBM针对转移IBM的2纳米技术达成合作。IBM于2021年在全球率先试制出2纳米半导体，Rapidus支付授权费，向IBM学习技术。4月派出了第一批人员。

 

       人类所能掌握的最难的技术之一

 

       Rapidus正在加紧招聘技术人员。瞄准日本在半导体领域具有一定存在感的1990~2000年代前半期在大型电子企业从事开发的人才等。但是，掌握2纳米技术并非易事。

 

       达里奥·吉尔表示，“制造时需要原子级的控制。表面加工、光刻、晶体管成型和性能控制等均需达到无与伦比的精度。这是人类所能掌握的最难的技术之一”。

 

IBM高级副总裁达里奥·吉尔

 

       Rapidus将于2025年4月在北海道千岁市设立试制生产线。如果其准备工作取得进展，将在纽约和北海道同步推进各种开发。达里奥·吉尔表示，“重点是能否提高生产率”，强调一大目标是成功实现Rapidus力争2027年启动的量产。

 

       对于已经开始的合作，日本政府不遗余力地提供支持。日本经济产业省4月表明向Rapidus追加2600亿日元的补贴，列举了向IBM派遣人员的主要用途。

 

       日本政府和相关企业合作为重振半导体而采取行动，原因不仅仅是经济安全保障。当前正处于技术的过渡期，存在施展拳脚的机会。

 

       半导体的晶体管（元件）是长的，一直采用平面型结构。从过去约10年的尖端产品来看，自从美国英特尔在22纳米半导体上采用“FinFET结构”以来，就一直采用这种结构。台积电（TSMC）2022年底开始量产的3纳米半导体也采用FinFET结构。但是，如果低于2纳米，就不得不改变元件结构。原因是现有结构难以进一步提高性能。

 

       半导体借助通电时打开、不通电时关断等方式来进行计算。由被称为栅极（gate）的调节阀来控制是否通电。FinFET结构是在电流通道的四个侧面中，栅极堵住三个方向。

 

 

       随着半导体的微细化，栅极也会变得细小，控制能力减弱。如果比2纳米半导体更小，没有以栅极堵住的地方的电流泄漏将增加。这样会浪费电力，难以提高节能性能。而“全环绕栅极”则是将四个方向都用栅极围起来，以防止泄漏。

 

       IBM留下的研发部门

 

       IBM在2015年因亏损而出售了半导体制造部门。为什么现在却成了Rapidus的领路人呢？其背景在于，IBM为了强化服务器等的竞争力，留下了研发部门。

 

       实际上，IBM在2010年代后半期的5年里投入30亿美元，持续开发最尖端半导体。这成为目前的盈利来源云业务等的基础，IBM像重视量子计算机和AI等那样，同等地重视半导体。IBM研究部门的副总裁穆克什·哈雷（Mukesh Khare）表示，“最尖端半导体对IBM的基础设施业务来说是不可或缺的”。

 

       接手其制造部门的格罗方德（GlobalFoundries）于2023年4月起诉IBM，称其在出售后继续不当使用知识产权和商业秘密。不过，熟悉美国知识产权诉讼的日本律师一色太郎表示，“作出判决至少需要2~3年”，在此基础上表示“技术日趋错综复杂，证明格罗方德说法的难度很大”。

 

       企业正在等待2纳米半导体问世。日本Preferred Networks正在开发自主半导体，以实现高性能的人工智能。该公司首席执行官（CEO）西川彻针对Rapidus表示期待称，“似乎能够灵活地定制（半导体），非常感兴趣”。

 

       要想实现实用化，Rapidus需要克服很大障碍。举例而言，如果Rapidus不能为使用半导体的企业充实支持电路设计的功能，就无法顺利获得订单。此外，确保人才的竞争也日趋激烈。刚刚开始的与IBM的合作只是漫长道路上的一步。

 

       在微细化竞争中被甩开的日本企业

 

       半导体的集成度每2年翻一番。使这一“摩尔定律”成立的是微细化技术。不过，过去20年需要原子级的制造技术，实现这一目标的投资已膨胀至以万亿日元为单位的水平。目前，运行最先进生产线的企业实际上只有两家。Rapidus面临一场残酷的比赛。

 

       半导体是在芯片上集成相当于电信号“开关”的晶体管，以低价格提供较高的运算能力。英特尔1971年为计算器开发的芯片配备了2300个晶体管。而现在，苹果“iPhone14”搭载的芯片的晶体管数量达到160亿。

 

       推动晶体管集成的是微细化。1971年处于微米（微米为100万分之1米）级的微细化技术在半个世纪的时间里发展到纳米级。与此同时，技术革新面临的壁垒也越来越高。

  

尖端半导体需要先进的生产线（照片由ASML提供）

 

       以EUV光刻设备为代表，尖端半导体需要建设先进的生产线。

 

       随着微细化竞争的激化，业内企业也迅速被淘汰。法国调查公司Yole的统计显示，截至2002~2003年，涉足当时最先进的电路线宽130纳米的半导体的企业共有26家，其中包括10家日企。而到2010~2012年，涉足28~32纳米的企业总数减少至10家，日本企业实质上已经掉队。

 

 

       2020~2022年涉足5~7纳米的企业只有台积电、三星电子和英特尔这3家。成功量产3纳米半导体的则只有台积电和三星。落后的英特尔提出了“到2025年重新夺回领导地位”（英特尔CEO帕特·基辛格）的目标，正在迅速涉足尖端半导体的制造。

 

       1纳米的研发也已开始

 

       持续进行尖端开发的技术障碍主要集中在两个方面。

 

       首先是半导体元件的知识。即使提高晶体管的集成度，如果功耗增加或处理速度降低，也不能说提高了作为“运算装置”的性能。要解决这些问题，必须要更新形成晶体管的材料，还要有全环绕栅极这样的新结构。

 

       当前，采用全环绕栅极的量产半导体的制造取得进展，着眼于1纳米的新型晶体管结构的开发已经启动。目前正在讨论的“CFET”采用更为复杂的结构，在上下方向堆叠晶体管。如果不愿意在研发方面投入资源，就无法跟上新一代技术的发展。

 

       此外，制造流程的技术也变得更加重要。即使掌握可发挥高性能的晶体管结构和微细化技术，如果无法高效地生产没有缺陷的产品，就无法提高收益。能在多大程度上提高生产线的成品率将决定胜负。

 

       除了承担电路形成核心作用的光刻设备之外，与制造相关的各种技术和经验的磨合也是关键。IBM的达里奥·吉尔指出，“这正是与实验室的不同之处，世界上能够做到的企业寥寥无几”。

 

       台积电在这种量产技术上具备优势。该公司为苹果等大客户提供高科技产品，获得了丰厚的收益。虽然三星电子在技术方面与台积电展开竞争，包括在3纳米半导体上率先将全环绕栅极结构引入量产制程中，但苦于无法提高成品率。

 

       开发设备和制程的技术、确立量产工序所需的经营资源正在不断膨胀。从处于领先地位的台积电来看，研发费用2022年达到54.72亿美元，在10年间增至约4倍，投资现金流达到399亿美元，超过4倍。

 

       在半导体产业，也有很多企业凭借成熟的技术确保高利润。涉足以45~130纳米为主的半导体的美国德州仪器公司2022财年（截至2022年12月）的净利润率高达43.7%，接近台积电（44.9%）。此外，日本的瑞萨电子也以MCU（微控制器）和模拟半导体为主业，实现了V型复苏。

 

       在推动人工智能（AI）等技术不断发展方面，日本也需要建立制造最先进半导体的基础，这是日本产业界、政府和学界的共同想法。不过，投资竞争激烈，除了官方之外，还需要从民间筹集资金。熟练掌握尖端技术，打造生产率高的生产线，构建盈利能力高的经营模式——对Rapidus来说，这一切都是挑战。

 

       日本经济新闻（中文版：日经中文网）大越优树、江口良辅

 

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