2nm 芯片那么难，日本成吗？

美国于近日确立了促进国内半导体生产的法案 "CHIPS and Science Act"，但三星电子、SK 海力士等韩国半导体厂家是否接受美国政府的资金援助，还是未知数。
此外，日本政府为新设半导体工厂的企业，提供补助金，这笔补助金被用在了台湾 TSMC 的熊本工厂、铠侠 & 美国西部数据的四日市工厂。但是，即使以上企业获得了日本政府的资金补助，日本的半导体全球市占率也不会有所提高。
另外，日本经济产业省曾发布新闻称，在 2024 年之前日本和美国合作研发 2 纳米逻辑半导体，并计划在日本量产。而笔者认为，这是完全不可能的，简直是天大的笑话！
笔者将在下文中详细分析以上问题。下文为笔者最初的感想。
对于美国的 " 以本国利益为中心的政策 "，可能会引起其他国家半导体背离美国。
同时，即使日本的 " 不谙世事 " 的 " 职业官僚们 " 确立强化半导体生产的方案，也不会有任何效果。此外，甚至日本政府还提出了 " 日本要在 2025 年开始量产 2 纳米 " 等极具搞笑意义的方案，笔者认为这是非常滑稽的。真是一桩世界级的丑闻，笔者真心希望不要确立以上法案。
美国试图通过 "CHIPS 法案 " 强化半导体生产
为了强化美国本土的半导体生产，2022 年 8 月 9 日，美国总统拜登签署 "CHIPS 法案 "，该法案正式生效。美国试图通过此法案强化美国半导体生产。在美国设有半导体工厂和研发中心的 TSMC、三星电子、SK 海力士到底是不是应该接受美国政府的援助呢？
该 "CHIPS 法案 " 指出，投资共 527 亿美元用于美国的半导体生产和研究开发，明细如下，投资约 390 亿美元用于吸引外资赴美建半导体工厂，132 亿美元用于研究开发和培养人才，5 亿美元用于国际信息通信技术安防和半导体供应链。
可以享受以上资金补助的半导体厂家如下图 1 所示。美国英特尔计划分别在亚利桑那州、俄亥俄州投资 200 亿 ~300 亿美元，用于建设生产处理器的工厂和 Foundry 工厂。受到美国政府邀请的 TSMC 在美国亚利桑那州投资 120 亿美元，用于建设 5 纳米 Foundry 工厂。对 TSMC" 紧追猛赶 " 的三星电子也不甘落后，在美国德克萨斯州投资 170 亿美元，用于建设尖端 Foundry 工厂。此外，SK 海力士集团计划投资约 220 亿美元在美国建设半导体研发中心和封装测试相关工厂。



图 1：有望享受美国 "CHIPS 法案 " 补助金的半导体厂家。
（图片出自：jbpress）
据英特尔透露，假设美国政府共有 100 亿美元的支援计划，我们可以获得 30 亿美元的补助。因此，以上半导体厂家都在试图获得 "CHIPS 法案 " 中的补助金。
"CHIPS 法案 " 补助金的利害
要说，美国将 527 亿美元的补助金投入到半导体产业后，美国的半导体生产能否得到改善呢？回答这个问题之前，先看看另外一个问题。美国 "CHIPS 法案 " 中明确提到，"CHIPS 法案 " 是为了削减成本、创造更多就业机会、强化半导体供应链、与中国抗衡。可以看出该法案带有明显的 " 保护性质 "。
依据该法案，如果 TSMC、三星电子、SK 海力士一旦享受美国 "CHIPS 法案 " 的补助，将无法在以下中国工厂进行投资，TSMC 南京工厂、三星中国西安工厂、SK 海力士中国无锡工厂和中国大连工厂。
其中，TSMC 中国南京工厂份额在 TSMC 集团的占比较小；而三星电子西安工厂生产的 3D NAND 占三星集团的约 40%；SK 海力士大连工厂生产的 3D NAND 占其 30%、无锡工厂生产的 DRAM 占其 50%。
因此，一旦三星电子和 SK 海力士一旦享受了 "CHIPS 法案 " 的 " 福利 "，将无法对位于中国的存储半导体工厂增加投资，不仅无法生产出最先进的存储半导体，连扩产也无法进行。这对存储半导体而言，是 " 致命打击 "！
可能会有读者问：" 必须要接受美国的补助金吗 "？对于在成本极其高昂的美国建设半导体工厂、研发中心的企业而言，不接受数十亿美元的补助，简直是一个 " 沉重的打击 "！
此外，美国 "CHIPS 法案 " 中还规定了其他更苛刻的条件。
美国试图进一步压制中国
如今，美国把中国大陆最大的 Foundry 工厂放入其 EL 实体清单，禁止向其出口可生产 10 纳米以下半导体的相关设备。因此，荷兰 ASML 的最尖端的可用于 10 纳米以下细微化加工的 EUV 曝光设备无法向其出口。不仅仅是中国大厂，SK 海力士也无法在无锡工厂将 EUV 设备应用于尖端 DRAM 的生产。
据 2022 年 7 月 6 日彭博社报道，不仅仅是 EUV 光刻机，美国政府正试图对荷兰 ASML 和日本尼康施加压力，以禁止他们向中国出口 ArF 液浸光刻机。
此外，据 2022 年 8 月 1 日彭博社报道，为了阻碍中国生产 28 纳米半导体，美国政府已经向美国的设备厂家发出正式文件，禁止他们向中国出口相关设备。从上述报道来看，未来美国的 " 禁止出口范围 " 很有可能波及到美国应用材料公司和日本东京电子株式会社。
因此，不论 TSMC、三星电子、SK 海力士是否接受美国政府 "CHIPS 法案 " 的资金补助，都将无法在中国工厂进行投资，同时都将陷入困境。
总而言之，美国是希望对中国进行彻头彻尾的出口限制。美国如此严格的限制很有可能引起韩国等的半导体厂家对美国失去信心。笔者认为美国的出口限制过于严格、过于考虑美国利益！
日本政府颁布法案支援半导体工厂建设
人们普遍认为日本经济产业省依据下图 2，制定了半导体支援政策。下图 2 在日本经济产业省 " 半导体 · 数字化产业战略 " 网站的 " 半导体战略 " 文件第七页。



图 2：日本经济产业省制定半导体支援战略的依据。
（图片出自：jbpress）
如上图所示，1988 年日本半导体产业全球占比 50.3%，2019 年下滑至 10%，照此发展下去，到 2030 年将会萎缩至 0%。对此，经济产业省倍感危机，为了防止日本半导体占比的低下，确立了为新建半导体工厂提供资金支持的法案。2021 年 12 月 20 日，日本参议院全体会议中，执政党多数赞成并通过了次法案。
基于该法案，日本政府于 2022 年 6 月 17 日决定对 TSMC 熊本工厂最大支援 4760 亿日元。此外，日本政府还在 2022 年 7 约 26 日决定对铠侠和 WD 的四日市工厂给与最大 929 亿日元的资金补助。然而，还没有决定是否对镁光的广岛工厂进行资金援助。
那么，对 TSMC 熊本工厂、铠侠和 WD 的四日市工厂进行资金援助后，日本的半导体全球占比真的会提高吗？
能否通过补助金，提高日本的半导体全球市占率？
TSMC 熊本 Foundry 工厂，28/22 纳米 ~16/12 纳米逻辑半导体方向晶圆的约产能为 5.5 万片。如果委托 TSMC 生产的的芯片设计公司都是日本企业，那么日本的半导体全球市占率有望相应地提高。
但是，日本几乎没有 Fabless 企业。从 SEMILINKS 这一半导体相关网站来看，日本的 Fabless 仅有 70 家左右。此外，几乎没有任何关于这些企业的产品介绍、产品信息，可以说，在日本从事芯片设计的 Fabless 企业仅有以下五家企业：Thine 电子株式会社、Mega Chips 株式会社、Mega Design Net 株式会社、Logic Research 株式会社、索喜株式会社。
那么，究竟是什么样的企业会委托 TSMC 熊本工厂生产逻辑半导体呢？由于索尼和电装是熊本的股东，这两家可能会成为其客户。但是，这两家客户的订单应该无法填满月产 5.5 万片的产能。在 TSMC 熊本工厂月产 5.5 万片的晶圆中，最多 1 万一一 2 万片是提供给日本客户，剩余部分应该是提供给其他诸多海外客户。尽管 TSMC 熊本工厂的 " 原始资本金 " 来自于日本的税收，而却不一定优先为日本客户供货。
那么，铠侠和 WD 的四日市工厂又如何呢？铠侠 &WD 分别投资 50% 的设备生产 NAND，生产的 NAND 也是各取 50%。铠侠是日本企业、WD 是美国企业。因此，即使对铠侠和 WD 的四日市工厂予以补助，对提高日本半导体占比的贡献也仅有 50%。
综上所述，即使日本政府对 TSMC 熊本工厂、铠侠和 WD 的四日市工厂予以资金补助，也不会提高日本半导体全球市占率。
日本政府宣布量产 "2 纳米 "，简直是可笑至极
2022 年 7 月 29 日，日本经济新闻报道称，日本和美国在量产半导体方面展开合作，日本和美国两国政府于 7 月 29 日在美国首都华盛顿召开首次 " 经济 2plus2" 会议，会议中提到日本和美国共同研发 2 纳米半导体，日本在年底之前成立 " 新一代半导体生产技术研发中心 "，计划在 2025 年于日本国内量产 2 纳米半导体。
至此，日本经济产业省已经制定了多个令人无法理解的政策，" 日本和美国合作研发 2 纳米半导体，日本自 2025 年开始量产 2 纳米半导体 " 一一这真是令人惊讶、震惊、不可思议！简直是一条愚蠢至极的策略，日本半导体行业的相关人员不禁要问：" 这样的政策真的可以实施下去吗 "？
由于日本经济产业省似乎是在很认真地发布了以上政策，真让人头疼！8 月 10 日在赤坂 Inter City Conference 召开了 "Flash Forward Japan 存储半导体 · 改革 · 座谈会 "，日本经济产业省商务信息政策局总务科西川和见科长做了名为《Current state of the art in semiconductors in Japan》的主题演讲。
那么，为什么日本量产 2 纳米半导体是可笑至极呢？
2 纳米半导体难在何处？
所谓半导体的 " 微缩化 "，指的是每一代际缩小约 70%。如下图 4 所示，日本自 45 纳米以后就不再有进步。45 纳米以后为 32 纳米、22 纳米、16/14 纳米、10 纳米、7 纳米、5 纳米、3 纳米、2 纳米。
自 45 纳米到 2 纳米，共跨越了九个代际的微缩化，这究竟有多难呢？
首先，微缩化每发展一个代际，肯定会出现诸多问题，为解决这些问题，需要进行多次试错实验。在 28 纳米 /22 纳米之前，晶体管的形状为 " 平面型 "，16 纳米以后为 FinFET，2 纳米以后为 GAA，之所以有这么大的变化，是因为不改变晶体管结构，无法实现人们期待的性能。此外，随着微缩化发展，出现的问题也是各式各样。
比方说，在 2015 年之前以为被视为 " 微缩化头号玩家 " 美国英特尔在 2016 年无法顺利从 14 纳米过度到 10 纳米，在后来的五年里，10 纳米的启动一直不顺利。去年 Patrick Gelsinger 就任英特尔第八代 CEO，并将 10 纳米命名为 "Intel 7"、7 纳米改为 "Intel 4"。如今英特尔正在为实现 i4 而努力。



图 5：逻辑半导体和 Foundry 厂家的技术蓝图。
（图片出自：jbpress）
TSMC 和三星在同一时间启动 7 纳米，后来，虽然仅仅能看到 6 纳米、5 纳米、4 纳米、3 纳米等一系列数字的进步，但 5 纳米以后的良率很难提升，而且 TSMC 的 3 纳米采用了 GAA 构造，因此 TSMC 在 3 纳米代际陷入绝望，果断进军 2 纳米。
即使是独享最尖端技术的 TSMC，虽然曾经每两年更替一个代际，但 3 纳米并未能按计划启动，耗费了两年半的时间，在 2022 年下半年，终于迎来了量产关键期。2 纳米代际晶体管采用新型 GAA，进入量产可能要花费两年半甚至三年的时间。因此，2 纳米的量产时间最快在 2025 年、甚至 2026 年。
如果日本 " 自 2025 年开始量产 2 纳米 "，那么，很有可能早于 TSMC！从当下的 45 纳米，跨越九个代际，比 TSMC 早量产 2 纳米，这是多么异想天开的方案！
不仅仅是 " 中学生和大学生的差距 "
在 2022 年 8 月 3 日的日本经济新闻 "Deep Insight" 中，针对 2 纳米的难度，Common Data 的中山淳史先生做了以下比喻："Planner 型是中学生、FinFET 是高中生、GAA 是大学生 "。
而笔者认为 2 纳米的难度不止如此。但是，偶尔也会有一些天才少年，直接从中学跳级升入大学，但是，对于半导体而言，直接从 45 纳米过渡到 2 纳米，跨越九个代际，是不可能的。
就半导体的微缩化发展而言，每个代际进步 70%，其难度呈指数级增长。20 多年前，笔者曾参与研发了 4M、16M、64M、256M 的 DRAM 研发和量产。每一代际的研发都像 " 走钢丝 " 一样困难。比方说，研发从 64M 过渡到 256M 时，由于过于困难，当时甚至出现了 " 莫非 256M 是做不到的？" 这样的想法。半导体微缩化发展真的非常困难。
因此，下面的比喻可以回答 " 站在 45 纳米的角度来看，2 纳米究竟是什么 " 这个问题！日本少年棒球联盟的青少年球员一般会有以下梦想：" 未来，成为美国职业棒球联盟球员，像大谷翔平一样投打双修！" 当然，青少年棒球球员怀有梦想是好事。但是，某个青少年球员希望 " 在三年后，进入美国职业棒球联盟，且投打双修！" 当然这是不现实的。大家可能会对这个少年说：" 先进入甲子园，然后以出色的成绩进入日本职业棒球团，最后有望进入美国职业棒球联盟。"
45 纳米和 2 纳米的差距，就像青少年棒球队员与隶属于美国职业棒球联盟的、投打双修的大谷翔平的差距一样。
如何获得 EUV？
最后，笔者再基于事实论述为何 " 日本计划从 2025 年开始量产 2 纳米 " 是不现实的。要量产 2 纳米，其中一款必须的设备是仅荷兰 ASML 可量产的尖端 EUV 曝光设备。
据预测，在 2025 年，TSMC 拥有 100 台光刻机、三星有 35 台、英特尔有 15 台。但是，这三家公司都希望有更多的 EUV 设备。除了以上三家，SK 海力士、镁光、南亚等 DRAM 厂家也都希望购买更多的 EUV 设备。



图 6：TSMC、三星、英特尔所拥有的 EUV 设备数量（预测）。笔者根据预测值制作了此图。
（图片出自：jbpress）
ASML 自 2016 年开始出货 EUV 设备。2016 年出货 5 台、2017 年出货 10 台，2018 年出货 18 台，2019 年出货 26 台，2020 年出货 31 台，2021 年出货 42 台，今年计划出货 55 台



图 7：ASML 的 EUV 设备出货数量（2022 年为预测）。
（图片出自：jbpress）
2020 年年中，未交货订单为 56 台，今年未交货订单达到了 100 台。
总而言之，如今的情况是即使向 ASML 订货，也不一定买得到。" 日本自 2025 年开始量产 2 纳米 "，即意味着日本在 2025 年拥有 EUV 设备，并熟练使用。
有梦想的棒球青少年球员即使利用魔法变身成为了大谷翔平，没有 EUV 光刻机，依然无法量产 2 纳米。

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