瞭望 | 日本芯片能“复燃”吗？

　　为抓住“掌握先进芯片制造能力的最后机会”，日本政府出台半导体战略，制定了本土2nm制程先进芯片“两步走”的研发规划

　　美政府没有能力同时资助英特尔和IBM的先进芯片技术，因此选择由《芯片和科学法案》优先资助把握更大的英特尔芯片技术，把风险更大的IBM芯片技术交给日本接盘

　　这种“狗熊掰棒子”式的规划不利于技术、知识产权、芯片人才等积累，也不利于制造设备和工艺重复利用，不但推升Rapidus芯片技术升级成本，其前后两代芯片技术衔接也会面临额外困难

　　荷兰某知名芯片杂志甚至以《日本Rapidus追求芯片复兴终将失败》为题，警示Rapidus违背台积电等企业坚持自主研发尖端芯片路线，即使有日本政府慷慨解囊，仍将难免失败的风险

　　这些担忧并非杞人忧天，日本多次重振芯片产业的努力都因美国的打压而失败

　　《日本经济新闻》等舆论正在反思日本受到“只有跟随美国的出口管制制度才能实现国家安全”这一错误认知的蒙蔽，认为日本一旦脱离中国大市场，尖端芯片技术将无从发展，而战略技术如果发展失败，更谈不上保障国家安全

　　文 | 周宁南

　　当前，日本正以前所未有的巨额补贴和推进速度发力半导体产业。一项最新数据显示，在过去3年，日本用于半导体产业的补贴金额占GDP比重达0.71%，高于其他主要西方国家。

　　4月初，日本经济产业省宣布，2024年度将向本土芯片制造公司Rapidus最多提供5900亿日元补贴。该公司于2022年11月在日本政府支持下由丰田、索尼、日本电气、铠侠、三菱日联银行等8家企业联合设立。

　　Rapidus计划达成2027年量产2nm芯片的目标。把具备2nm芯片制造技术看作未来“芯片立国”之本的日本，将实现芯片“雄心”的希望寄托在国际合作上。Rapidus与IBM等公司展开合作，希望从IBM处求得核心技术，但IBM技术并不成熟，而且附带地缘政治条件。日本的芯片技术引进吸收过程有不小风险，发展前景存在不确定性。

　　日本的芯片“雄心”

　　随着全球芯片产业格局发生变化和芯片新技术架构涌现共振，为抓住“掌握先进芯片制造能力的最后机会”，日本政府出台半导体战略，制定了本土2nm制程先进芯片“两步走”的研发规划。

　　第一步是通过吸引台积电等全球先进半导体公司在日本建厂，带动日本本土掌握相对先进的芯片制造能力。

　　在此基础上，第二步是通过建立芯片制造商Rapidus，借助国际技术合作，掌握2nm制程先进芯片的制造能力。

　　这是一个雄心勃勃的战略规划。目前，日本本土的芯片制造水平停留在40nm制程的水平上，如果按部就班发展到2nm制程，需要突破从40nm到28nm、从28nm到7nm、从7nm到3nm、从3nm到2nm等多个技术门槛。这些技术门槛较高，台积电、三星等巨头用了超过10年时间突破，而环球晶圆等其他主要芯片制造商因为难度太大，索性放弃了28nm以下芯片制造能力的研发。

　　日本把希望寄托在国际合作上。为了实现半导体战略规划的第一步，获得台积电等全球芯片巨头的技术和经验，把日本的芯片制造能力从40nm提升到英特尔等先进芯片制造商7nm左右的水平，日本已经斥资近70亿美元，补贴台积电在日本熊本县两个芯片厂近40%的投资。

　　根据规划，台积电在日建设的两个芯片厂用于生产28nm芯片和7nm芯片。日本半导体战略推进议员联盟负责人甘利明阐述了日本引进台积电建厂的打算。他表示，台积电在日建设的28nm芯片厂和台积电在世界其他地方建设的28nm芯片厂不同，具备制造接近10nm芯片的技术，这些芯片厂的日企股东，最终将接收、消化相关芯片制造技术。

　　日本半导体战略规划的第二步是借助美国技术，赶上台积电、三星等公司的世界前沿水平。台积电、三星、英特尔等芯片制造商在研的、制程在2nm及以下的芯片采用了与以往芯片架构“鳍式场效应晶体管”架构（FinFET）不同的新一代芯片架构“全环绕栅极场效应晶体管”架构（GAAFET）。2021年，IBM率先向全球宣布研制出了基于GAAFET架构的2nm芯片原型，但由于台积电等芯片制造商遵循自有技术路线，IBM的2nm芯片技术一时没有用武之地。2022年，Rapidus成立，寻求实现2nm芯片技术，因此和IBM一拍即合。经美商务部长雷蒙多、时任日经济产业省大臣西村康稔等人磋商，IBM当年就获准将2nm芯片技术输日。

　　目前，日本2nm芯片的实质研发尚未启动，台积电在日芯片厂尚未投产，Rapidus派遣赴美学习IBM芯片技术、赴欧学习光刻机使用的员工也未完成培训，但研发2nm芯片已具备不少有利的内外环境。从日本国内看，日本政府高度重视尖端芯片研发工作，经济产业省迄今为止唯一一次对单个行业的补贴政策就用在了对Rapidus的补贴上。从国际环境看，尖端芯片制造设备厂商阿斯麦、欧洲顶尖芯片技术研发机构微电子研究中心（IMEC）都积极和Rapidus合作。Rapidus总裁小池敦义对实现2nm芯片量产目标信心满满，声称“Rapidus将使世界震惊”。

　　引进IBM 2nm芯片技术的风险

　　日本虽然已获准接触IBM的2nm芯片技术，但该技术还没有转化成生产工艺，也缺少配套芯片产供链支撑，引进该技术存在较大风险。

　　IBM的2nm芯片技术是实验室产物，转化为批量生产的芯片工艺仍有技术障碍难以解决。

　　例如，GAAFET架构和以往架构相比，晶体管结构更加复杂，对晶体管的衬底材料提出了更高要求。IBM的GAAFET架构探索使用硅上金刚石等新型衬底材料。参与IBM芯片研发的研究员萨加里卡·穆克什称，这些新材料“不太可能在大批量制造中采用”。日本虽然在芯片相关材料制备上具有一定程度的技术和产业优势，但IBM自出售芯片制造部门后，所研究出的芯片技术已多年不指导业内主流芯片研发，所需的新型材料和业界主流研发方向有一定距离，日本能否解决相关技术量产瓶颈存在不确定性。

　　目前看，不但业内对IBM技术路线能否转化成量产工艺心存疑虑，Rapidus对IBM技术的量产效率也不托底。Rapidus董事长东哲郎阐述Rapidus发展方向时，明确指出Rapidus不能像台积电、三星一样大规模量产芯片，需要探索小批量生产芯片的运营模式。同时，Rapidus也在寻找IBM技术失败时的替代品，如和东京大学、IMEC等规划另一条先进芯片工艺研发路径。

　　IBM的2nm芯片技术依赖上代芯片制造工艺，日本长期技术欠账可能拖累研发进度。

　　日本经济产业省官员西川和美认为，Rapidus在GAAFET等新一代芯片架构发展初期参与研发存在跨越式发展机遇和“换道超车”可能，但是，目前三星等企业运用GAAFET架构的经验表明，GAAFET架构下90%的制造工艺仍沿用前代FinFET架构的制造工艺和相关知识产权，而日本本土并不掌握FinFET架构制造工艺，IBM也没有在14nm以下芯片制造中使用FinFET工艺的经验，对日本爱莫能助。东哲郎称，IBM向日本共享2nm芯片技术是“信任日本制造能力”，希望日本探索出IBM芯片技术的制造工艺。但台湾资讯工业策进会产业情报研究所研究人员邱冠伦认为，美国政府没有能力同时资助英特尔和IBM的先进芯片技术，因此选择由《芯片和科学法案》优先资助把握更大的英特尔芯片技术，把风险更大的IBM芯片技术交给日本接盘。

　　IBM的2nm芯片技术并非主流方向，日本引进该技术存在产业配套难度。

　　业界虽明确2nm芯片将采用GAAFET架构生产，但IBM在2nm芯片上对GAAFET架构的设计和台积电、三星、英特尔等主流芯片制造商有较大区别，在零部件及材料使用上相对独特，需要设计、研发较多额外零部件。

　　三星曾参与IBM的2nm芯片的GAAFET架构研发，但考虑到产业配套，最终未采用IBM的技术路线，而是结合既有工艺、设备重新设计了2nm芯片架构。韩国半导体官员在《韩国先驱报》上表示，日本虽然长于制造芯片零部件，但Rapidus不一定能生产出完整的芯片。

位于日本东京的日本国际机器人展现场（2023年11月30日摄） 钱铮摄/本刊

　　Rapidus技术创新模式未打通

　　目前看，Rapidus技术创新基础和生态并不稳固，技术创新模式未打通。Rapidus一旦进入尖端芯片领域，艰难获得的先进芯片技术和工艺或很快落伍、被淘汰。

　　第一，市场竞争力有限，难以维系尖端技术创新发展。

　　Rapidus从IBM求得先进芯片研发能力，但过往IBM抛售芯片制造业务，以及三星和IBM在芯片技术上合作仍难以在FinFET架构芯片制造良率等关键指标上超过台积电等，表明IBM的芯片技术国际竞争力有限。从台积电、三星、英特尔已公布的2nm和3nm芯片指标看，IBM的2nm芯片性能大致和其他芯片制造商的3nm芯片相当。也就是说，Rapidus引进IBM技术，在市场竞争力上没有优势。

　　Rapidus无力和台积电、三星、英特尔竞争，已声明无意角逐芯片代工市场。日本缺乏芯片设计能力，又没有代工优势，Rapidus的未来市场前景堪忧。从日本电气股份有限公司（NEC）、日立、三菱等合力打造存储芯片企业尔必达等多轮日本振兴芯片产业的尝试看，一旦相关企业市场竞争失利，即使发展初期能够触碰到当时全球尖端芯片制造水平，最终也不得不放弃先进芯片研发，这也是日本芯片制造至今停滞在40nm水平的主要原因。

　　Rapidus难以得到国际市场滋养，要填补日本2nm技术空白，属于无本之木、无源之水，难免重蹈补贴包袱越背越重的覆辙，难以维持芯片技术发展创新。

　　第二，创新路线不稳定，迭代创新路径未形成。

　　Rapidus在2nm芯片上照搬IBM技术，在1nm甚至亚纳米芯片上却不打算在IBM技术基础上发展，而是寻求同IMEC合作。这种“狗熊掰棒子”式的规划不利于技术、知识产权、芯片人才等积累，也不利于制造设备和工艺重复利用，不但推升Rapidus芯片技术升级成本，其前后两代芯片技术衔接也会面临额外困难。

　　此外，IBM和IMEC都没有运营芯片厂或支撑芯片厂供应链的经验，Rapidus把尖端芯片的宝押在IBM和IMEC身上，虽然是无处觅得尖端芯片技术的无奈之举，但也加剧了日本全力发展尖端芯片的风险。荷兰某知名芯片杂志甚至以《日本Rapidus追求芯片复兴终将失败》为题，警示Rapidus违背台积电等企业坚持自主研发尖端芯片路线，即使有日本政府慷慨解囊，仍将难免失败的风险。

　　第三，创新生态有短板，难以享受芯片发展潮流红利。

　　时任经济产业大臣西村康稔曾称，Rapidus的未来在于承接人工智能、自动驾驶等领域的芯片制造业务。Rapidus也为此制定了名为“快速统一制造服务”的经营模式，将在芯片代工的基础上，为芯片设计提供技术支持，加快芯片设计过程。虽然未来数年内，人工智能、自动驾驶等需求将给芯片制造带来可观的市场，但Rapidus的经营模式却难以保证享受这一轮半导体发展周期红利。

　　日本综合研究开发机构会长金丸恭文称，Rapidus在全球芯片产供链中缺乏“不可替代性”，最终难以避免和台积电、三星等竞争代工业务的命运。日本新思科技株式会社社长藤井公雄称，日本缺乏芯片设计能力是Rapidus的短板，日本不能打造芯片设计上有影响力的企业，在未来芯片发展浪潮中就没有竞争力。

　　让出自主权技术发展空间受限

　　日本视尖端芯片技术为保障国家安全的战略技术，但Rapidus在2nm芯片技术上依赖美国的发展规划，无异于拱手让出日本重要战略技术自主权，把未来芯片技术发展空间交给他国掌握。

　　2021年6月，日本经济产业省发布了《半导体和数字产业战略》。经产省制定半导体战略之初并没有成立Rapidus的打算，日本政坛对Rapidus为美国二流芯片技术提供研发资金、充当量产试验“小白鼠”的做法至今仍有反对声音。如，有日本众议院议员认为，日本应巩固在半导体制造设备、材料领域的战略优势，通过“战略不可替代”增强半导体产业话语权和影响力。日本经产省内部也有官员认为大量资金投向芯片制造的“无底洞”，挤占了日本芯片设计企业的发展空间，对日本芯片长远发展不利。金丸恭文甚至认为，借助美国技术是日本政府受日本大企业裹挟做出的短视决策，将带偏日本半导体战略，导致日本重蹈发展第五代计算机等战略失败的覆辙。

　　这些担忧并非杞人忧天，日本多次重振芯片产业的努力都因美国的打压而失败。这次美企环球晶圆起诉Rapidus引进IBM技术中存在的知识产权纠纷，已为Rapidus日后发展蒙上一层阴影。一旦Rapidus取得技术突破，威胁美国芯片企业市场竞争优势，美国在芯片知识产权问题上惯用的长臂管辖手段或随时对日本发动，葬送日本振兴芯片产业的“最后机会”。

　　美国的2nm芯片技术并非日本心心念念的“免费午餐”，而是包藏了限制日本尖端芯片发展的陷阱。日本获准接触IBM的2nm芯片技术之际，正是美国施压日本强化对华芯片出口管制之时。强化对华芯片出口管制导致日本芯片对华出口、在华市场份额萎缩。美、欧、韩等国家和地区已兴建不少先进芯片集群，日本如果失去中国市场，将导致Rapidus的技术未来最多只能在美欧以外的国家和地区寻求发展，一旦面临芯片产业周期，存在产业消亡风险。

　　纵观美日芯片战后的日本芯片技术发展历程，日本芯片技术发展最顺利的一段时期，正是NEC等日本企业和中国华虹等企业加强合作，借助中国大芯片市场熨平芯片市场周期波动、实现跨芯片周期发展的阶段。《日本经济新闻》等舆论正在反思日本受到“只有跟随美国的出口管制制度才能实现国家安全”这一错误认知的蒙蔽，认为日本一旦脱离中国大市场，日本的尖端芯片技术将无从发展，而战略技术如果发展失败，日本更谈不上保障国家安全。

　　（作者单位：中国现代国际关系研究院科技与网络安全所）■