日本 Rapidus 和 IBM 于今年 12 月 13 日宣布稱,為量産 2 納米邏輯半導體,雙方建立了合作關系。
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。此外,IBM 也在為自己品牌下的電腦生産所需半導體,同時也為客戶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産産線,有效降低了研發成本、并确保了第二供應商資源。最初,IBM、Chartered Semiconductor Manufacturing、三星電子三家公司分别在各自的工廠裡提供通用型研發工藝,以研發 90 納米。後來,英飛淩和 Freescale Semiconductor 也參與研發 32 納米制程。另外,IBM 又聯手索尼、東芝研發和生産了用于 PLAYSTATION 3 的 "Cell",後來又和 AMD 合作研發了 SOI 相關技術。在去年,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。
研究開發和量産,完全是 " 兩碼事 "
就以往的 Common Platform 而言,其實是 " 精确複制 ",即完全複制在 IBM 生産産線上構築的工藝,并應用于其他 " 夥伴工廠 "。因此,從初級階段就獲得了極高的良率。
但是,據筆者了解,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産 Cell 處理器時,據說隻有 IBM 的良率最低。隻能說當時的日本還在生産尖端邏輯半導體,所以掌握了相應的量産技術。
如上所述,在 2014 年以後,IBM 開始逐步放棄量産産線,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 在接受記者采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。即隻有更細微的工藝才有助于搭載更多的晶體管,同時單顆芯片的性能也就越豐富。最終,終端産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、生産專用 LSI,然後為客戶提供專項服務,這種做法是日本的 OA 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?
雙方建立合作關系後,Rapidus 将會派技術人員到 IBM 位于美國紐約州奧爾巴尼市的 "Albany Nano Tech Complex" 學習。同時,Rapidus 也在與 IBM 以外的企業合作研發 2 納米工藝,目标是到 2020 年代後半期開始量産。
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 建立了夥伴關系。
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。由于是一項從零開始研發的量産項目,且并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,對此,Rapidus 的小池淳義代表董事社長表示:" 從 FinFET 到 Nano-sheet 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。由于結構的變化,因此在 Albany 學習後,将有利于實現跳躍。"
同時,在記者招待會上,小池先生還指出:" 雖然是一大挑戰,但并不是不可以超越。" 雖然 GAA 可以采用 FinFET 的大部分工藝,但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标榜的 " 納米工藝技術藍圖 " 來看,2 納米制程的量産在 2025 年。2028 年量産 1.5 納米制程,2031 年量産 1.0 納米,即使 Rapidus 和 IBM 成功在 2020 年代下半期成功量産 2 納米,其制程也有可能晚于其他先進廠家 1~2 個代際。
IRDS 2022 公布的光刻技術藍圖。(圖片出自:IEEE IRDS 官網)
另一方面,可以看出,IBM 主要有以下兩種目的:
第一,找到并确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産制造晶圓的 Foundry 企業。
衆所周知,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。上述信息有可能是道聽途說,但據說台積電也曾在 3 納米的量産上費了很大功夫。因此,要想量産尖端工藝且保證較高的良率,是要花費很長一段時間的。對于 IBM 而言,找到三星電子以外的 Foundry 量産廠家十分重要。
實際上,在 SEMICON Japan 2022 的開幕式上,小池先生指出:" 日本在尖端邏輯半導體方面落後了 10~20 年的時間,如果可以獲得 IBM 的技術支持,将會十分有利。" 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。"
從這個意義上來說,Rapidus 希望盡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 "。
量産的最大問題:采購 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産。
最大的問題不是 IBM,而是安裝在 SUNY Polytechnic Institute 的 EUV 曝光設備:ADT、第三代 "NEX:3300B"。
另一方面,必須要熟練使用全球最新款的 EUV 設備,才有望量産 2 納米制程、才有望實現小池先生标榜的 " 成為全球交貨期最短的公司 "。
此外,據預測,台積電應該不會使用新一代的、高 NA EUV。如果,IBM 可用的 EUV 和實際量産需要的 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 建立了合作關系。據說,IMEC 也與 ASML 建立了合作關系,并在引進 ASML 的最新款 EUV 曝光機,以用于研發工作。Rapidus 應該可以利用與 IMEC 的合作關系,獲得 ASML 的最新一代光刻機的相關技術,并填補上述差距。
但另一個問題是,Rapidus 能否獲得光刻機?ASML 的 2022 年光刻機出貨是 55 台,2023 年預測為 60 多台,2025 年計劃為 90 台。雖然 ASML 在逐步提高産能,但随着半導體制程微縮化發展,采用 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 " 争搶 " 光刻機。據說,由于很難采購到光刻機,三星電子領導人在 2020 年秋季奔赴 ASML 談判後,于 2021 年成功引進了 15 台。
随着公司的啟動,日本政府從國庫中調配了 700 億日元支援 Rapidus,據說這筆資金計劃将被用于公司的基礎運營。實際上,該資金要在一段時間之後才可以落實。縱然實現量産,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 年下半期實現量産,還是一個未知數。
利用 2 納米制程生産什麼?
在 Rapidus 披露要量産 2 納米的目标之後,很多聲音指出:" 用 2 納米制程生産什麼?"
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 客戶。上述客戶目前都在委托台積電、三星電子生産半導體。上述需要采用尖端工藝的客戶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讨論話題:增加存儲容量後,存儲什麼呢?每次都會出現 NAND 的新應用方式。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所要求的性能。由于提高了運算能力,所以實現了實時的 AI 處理,且可以模拟分子的複雜、長時間運動。從曆史經驗來看,一定會有某個企業找到新的用途,并将其作為新的商機,建立市場。即使是 2 納米,也會遵循上述規律。因此,重要的是掌握用戶企業所要求的半導體性能技術。
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 模式,由一家公司設計、生産半導體,晶圓工廠僅需為母公司生産半導體、且是母公司指定功能的半導體,需求十分明确。但是,在如今的 Foundry 和 Fabless 分工十分明确的時代,僅有生産能力是沒有意義的,基于自身能力、并為客戶提供更高價值的産品才更重要。縱然坐擁較高的技術,如果沒有客戶認可,依然無法産生交易。
針對 Rapidus 的業務,小池先生列舉了三點:第一,人才培養;第二,基于最終市場、産品,構建生産體系;第三,基于半導體,實現綠色轉型。現在開始研發尖端半導體,然後在一定時間内趕上先進廠家,的确是十分困難的。長年活躍于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。
日本的土地上真的能再次生産出尖端邏輯半導體嗎?時間會給我們答案。
本文來自微信公衆号:半導體行業觀察 (ID:icbank),作者:mynavi