挑戰(zhàn)臺(tái)積電，這家成立兩年的公司明年4月試產(chǎn)2nm芯片、2027年量產(chǎn)

當(dāng)前業(yè)界對(duì) AI、IoT、5G 通信以及高性能計(jì)算等的需求不斷攀升，作為現(xiàn)階段最尖端的半導(dǎo)體制造工藝之一，2nm 制程技術(shù)已成為行業(yè)追逐的目標(biāo)。

隨著工藝邁向 2nm 節(jié)點(diǎn)制程，晶體管結(jié)構(gòu)由沿用多年的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）架構(gòu)正逐步被全環(huán)繞柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GAAFET）架構(gòu)所取代。

與 FinFET 有所不同，GAAFET 使用柵極材料完全包裹通道，從而帶來更好的電場(chǎng)控制，然而這種架構(gòu)的改變也隨之帶來新的挑戰(zhàn)，即如何實(shí)現(xiàn)多閾值電壓讓芯片以較低電壓執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算。此外，在 2nm 制程下，N 型和 P 型半導(dǎo)體通道之間的距離十分狹窄，需要高度精確的光刻技術(shù)才能在實(shí)現(xiàn)多閾值電壓的同時(shí)不會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響。

（來源：IBM）

對(duì)此，IBM 與一家日本半導(dǎo)體公司 Rapidus 通過在構(gòu)建過程中引入兩種不同的選擇性減少層（SLR）技術(shù)解決了這一難題。在上周的 2024 年 IEEE 國際電子設(shè)備會(huì)議上，IBM 展示了雙方合作開發(fā)的“多閾值電壓全環(huán)繞柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管”技術(shù)。

據(jù)稱，這項(xiàng)技術(shù)將在 Rapidus 的 2nm 芯片量產(chǎn)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。“與上一代 FinFET 相比，GAAFET 使用的納米片結(jié)構(gòu)復(fù)雜度更高，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但與早期方法相比，該技術(shù)將使芯片的生產(chǎn)制造過程更為簡化，從而讓 Rapidus 更容易可靠地大規(guī)模生產(chǎn) 2nm 芯片。”IBM 的一位發(fā)言人表示。

（來源：Rapidus）

據(jù)了解，Rapidus 公司成立于 2022 年 8 月，由豐田汽車、日本電裝、索尼集團(tuán)、鎧俠、日本電信電話、日本電氣、軟銀以及三菱日聯(lián)銀行 8 家企業(yè)合資成立。在當(dāng)時(shí)，Rapidus 公司獲得了 8 家企業(yè)共計(jì) 73 億日元投資，以及日本政府提供 700 億日元初始資金。

2022 年 12 月，Rapidus 宣布已經(jīng)與 IBM 建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，共同研發(fā) 2nm 節(jié)點(diǎn)制程技術(shù)；今年 6 月，雙方共同宣布，以聯(lián)合開發(fā) 2nm 節(jié)點(diǎn)制程技術(shù)的現(xiàn)有協(xié)議為基礎(chǔ)確立了 2nm 芯片封裝量產(chǎn)技術(shù)合作伙伴關(guān)系，共同開發(fā) 2nm 制程芯粒（Chiplet）先進(jìn)封裝量產(chǎn)技術(shù)。這意味著 Rapidus 與 IBM 在 2nm 節(jié)點(diǎn)制程領(lǐng)域的合作從前端擴(kuò)展到后端。

明年試產(chǎn) 2nm 芯片，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還面臨三座大山

在 2024 年日本國際半導(dǎo)體設(shè)備及材料展覽會(huì)上，Rapidus 公司董事長 Tetsuro Higashi 聲稱對(duì)公司 2nm 節(jié)點(diǎn)制程的試產(chǎn)線充滿信心。

他透露，“Rapidus 的 EUV 光刻設(shè)備將于本月交貨給工廠，此外還有 200 余臺(tái)設(shè)備陸續(xù)交貨。所有設(shè)備 2025 年 3 月底前到位，啟動(dòng)生產(chǎn) 2nm 芯片試產(chǎn)線。”

據(jù)了解，Rapidus 位于北海道千歲市的第一座 2nm 芯片工廠已于 2023 年 9 月動(dòng)工。根據(jù)公司規(guī)劃，明年 3 月底將完成試產(chǎn) 2nm 芯片所需的全部設(shè)備設(shè)置工作；4 月啟動(dòng)試產(chǎn)線開始生產(chǎn) 2nm 芯片；待完成試產(chǎn)后，目標(biāo)則是在 2027 年 4 月實(shí)現(xiàn) 2nm 芯片的規(guī)模化量產(chǎn)。

（來源：Rapidus）

近期，據(jù)日經(jīng)新聞報(bào)道，Rapidus 公司董事長 Tetsuro Higashi 在接受采訪時(shí)稱，“實(shí)現(xiàn)生產(chǎn) 2nm 芯片的目標(biāo)需要克服三個(gè)方面的挑戰(zhàn)，量產(chǎn)技術(shù)可行性、市場(chǎng)和客戶定位，以及資金問題，尤其是嚴(yán)重依賴日本政府的資源。”

具體而言，在量產(chǎn)技術(shù)可行性方面，由于日本制造商 40nm 以上的工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模量產(chǎn)，Rapidus 選擇跳過中間工藝，直接追求 2nm 工藝被視為一種“魯莽的嘗試”。

但在 Tetsuro Higashi 看來，“由于半導(dǎo)體設(shè)備制造商長期以來一直參與先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，而 Rapidus 正在與 IBM 等合作，整合技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，因此有信心實(shí)現(xiàn) 2nm 芯片的量產(chǎn)。”

需要注意的是，5nm 以下的制程工藝離不開 EUV 光刻機(jī)，不論研發(fā)還是制造都需要從全球唯一供應(yīng)商 ASML 購買 EUV 光刻機(jī)。

在市場(chǎng)和客戶定位方面，從成立之初，Rapidus 就將自身定位為“臺(tái)積電的替代供應(yīng)商”，旨在通過創(chuàng)建專用半導(dǎo)體市場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)差異化，這與擅長生產(chǎn)大規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的大公司不同。

在 2024 年日本國際半導(dǎo)體設(shè)備及材料展覽會(huì)期間，Tetsuro Higashi 稱“標(biāo)準(zhǔn)芯片浪費(fèi)過多能源”，并表示“半導(dǎo)體產(chǎn)品應(yīng)該從標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品轉(zhuǎn)向?yàn)樘囟☉?yīng)用（比如機(jī)器人、自動(dòng)駕駛和遠(yuǎn)程醫(yī)療）量身定制的專用芯片。通過技術(shù)創(chuàng)新，未來的半導(dǎo)體產(chǎn)品可以將能耗降低到目前水平的五分之一。”

他還預(yù)計(jì)，“生成式 AI 市場(chǎng)將轉(zhuǎn)向針對(duì)各種算法優(yōu)化的專用芯片，從而導(dǎo)致市場(chǎng)環(huán)境發(fā)生巨大變化。”

在資金方面，由于私人投資者認(rèn)為 Rapidus 實(shí)際生產(chǎn)先進(jìn)芯片的能力存在較高的風(fēng)險(xiǎn)，該公司目前嚴(yán)重依賴日本政府的財(cái)政支持。

為了實(shí)現(xiàn) 2027 年量產(chǎn) 2nm 芯片的目標(biāo)，Rapidus 預(yù)計(jì)將需要 5 萬億日元（約合 320 億美元）的資金。目前，該公司的主要資金來源是連續(xù)三個(gè)財(cái)年政府提供的 9200 億日元補(bǔ)助金，然而這一數(shù)字距離 5 萬億日元還存在較大資金缺口。

日本首相等官員曾多次強(qiáng)調(diào)，政府計(jì)劃在 2030 財(cái)年前撥款 10 萬億日元支持半導(dǎo)體和 AI 產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以刺激民間投資，其中對(duì) Rapidus 的支持是這一政策的重點(diǎn)。

然而，如果 Rapidus 繼續(xù)完全依賴政府支持，其可能會(huì)成為一家國有企業(yè)。日本業(yè)界和媒體擔(dān)心國有半導(dǎo)體公司可能成為成本高昂、效益有限的企業(yè)。對(duì)此，Tetsuro Higashi 強(qiáng)調(diào)，“雖然 Rapidus 目前主要依賴政府支持，但最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)獨(dú)立。”

未來幾年，Rapidus 的目標(biāo)是增加私人資金的比例，尋求通過銀行貸款或私人股東增資的方式為工廠建設(shè)提供資金，目標(biāo)是讓約一半的設(shè)備投資來自私人股東。

今年以來，日本政府加大了對(duì) Rapidus 的支持力度。據(jù)日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的計(jì)劃案顯示，日本政府計(jì)劃在 2025 年度對(duì) Rapidus 投資 2000 億日元。

當(dāng)然，不同于此前的“補(bǔ)助金”，投資能讓日本政府以出資者的立場(chǎng)加強(qiáng)對(duì)運(yùn)營的參與和監(jiān)督，從而更易于發(fā)揮治理功能；此外，計(jì)劃案還提到，日本政府計(jì)劃在 2027 年 10 月對(duì) Rapidus 進(jìn)行“實(shí)物出資”，使用政府資金興建的工廠、設(shè)備等資產(chǎn)與公司股票進(jìn)行交換。

參考資料：

1.https://www.digitimes.com/news/a20241216PD219/rapidus-2nm-production-japan-government.html

2.https://www.digitimes.com/news/a20241212PD218/rapidus-japan-2nm-production-2025.html

3.https://www.dramx.com/News/made-sealing/20241216-37640.html

4.https://technews.tw/2024/12/12/ibm-partners-with-rapidus-to-develop-multi-threshold-voltage-gaa-transistors/

5.https://baike.baidu.com/item/Rapidus/62217038?fr=ge_ala