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芯片进入2nm时代?没那么简单

日本Rapidus和IBM于今年12月13日宣布称,为量产2纳米逻辑半导体,双方建立了合作关系。

IBM长年以来一直积极进行研发尖端半导体,且曾经在美国纽约州拥有自己的300毫米晶圆工厂(于2014年转给Global Foundries,后来,该工厂被安森美收购)。此外,IBM也在为自己品牌下的电脑生产所需半导体,同时也为客户提供尖端工艺的技术研发服务和晶圆代工服务。

IBM的尖端工艺技术研发服务作为一项Common Platform,通过创建通用型工艺技术和生产产线,有效降低了研发成本、并确保了第二供应商资源(Second Source)。最初,IBM、Chartered Semiconductor Manufacturing(现在的Global Foundries)、三星电子三家公司分别在各自的工厂里提供通用型研发工艺,以研发90纳米(以及更先进的工艺)。后来,英飞凌和Freescale Semiconductor(现在的NXP Semiconductors)也参与研发32纳米制程。另外,IBM又联手索尼、东芝研发和生产了用于PLAYSTATION 3的“Cell”,后来又和AMD合作研发了SOI相关技术。在去年(2021年),有报道指出,英特尔正与IBM开展在尖端半导体方面的研发。综上所述,IBM与大多数半导体厂家有过合作经验。

研究开发和量产,完全是“两码事”

就以往的Common Platform而言,其实是“精确复制”(Copy Exactly),即完全复制在IBM生产产线上构筑的工艺,并应用于其他“伙伴工厂”。因此,从初级阶段就获得了极高的良率。

但是,据笔者了解,即使是同样的设备、同样的工艺、同样的设备参数,也未必能获得同样的良率。当IBM、东芝、索尼在各自的半导体工厂生产Cell处理器时,据说只有IBM的良率最低。只能说当时的日本还在生产尖端逻辑半导体,所以掌握了相应的量产技术。

如上所述,在2014年以后,IBM开始逐步放弃量产产线,公司仅保留对尖端工艺的研发小组。我们从IBM的高级副总裁、 IBM研究院总监Dario Gil在接受记者采访时的言谈中发现可见一二:“半导体的发展趋势即是创新,必须通过研究开发才可实现。”

一直以来,支撑摩尔定律走到今天的是工艺的微缩化。即只有更细微的工艺才有助于搭载更多的晶体管,同时单颗芯片的性能也就越丰富。最终,终端产品的附加值也就越高,也就成为了企业业绩增长的源泉。近年来,谷歌和微软等企业都在竞相自行设计LSI/SOC,即根据自身需求设计、生产专用LSI,然后为客户提供专项服务,这种做法是日本的OA(Office Automation,办公自动化)设备企业曾经的一贯“打法”,数年来未曾改变。

为什么Rapidus要引进IBM的2纳米制程?

双方建立合作关系后,Rapidus将会派技术人员到IBM位于美国纽约州奥尔巴尼市(Albany)的“Albany Nano Tech Complex(IBM主要在该据点推进研发工作)”学习。同时,Rapidus也在与IBM以外的企业合作研发2纳米工艺,目标是到2020年代后半期(2026年~2029年期间)开始量产。

Rapidus正在积极构建研发尖端半导体的体系,如与IBM一样,已经与IMEC(是欧洲一家专门研发尖端半导体工艺的研究中心)建立了伙伴关系。

不过,令人担忧的是,能否在2020年代后半期顺利导入2纳米制程。由于是一项从零开始研发的量产项目,且并不是一步步沿着微缩化路线走过来的,所以客观来讲,还是需要一定时间的。此次IBM和Rapidus的合作是直接从Planer到FinFET型。即使是直接挑战GAA型,也是十分困难的(何况此次Rapidus避开了GAA型),对此,Rapidus的小池淳义代表董事社长表示:“从FinFET到Nano-sheet(纳米片)是一个巨大的跳跃。如果不是长期从事尖端工艺研发工作的话,很难获得GAA技术要领。由于结构的变化,因此在Albany学习后,将有利于实现跳跃。”

同时,在记者招待会上,小池先生还指出:“虽然是一大挑战,但并不是不可以超越。”虽然GAA可以采用FinFET的大部分工艺,但学习起来也是有难度的。

此外,从IRDS 2022披露的逻辑半导体厂家标榜的“纳米工艺技术蓝图”来看,2纳米制程的量产在2025年2028年量产1.5纳米制程,2031年量产1.0纳米,即使Rapidus和IBM成功在2020年代下半期(2026年~2029年期间)成功量产2纳米,其制程也有可能晚于其他先进厂家1~2个代际。

IRDS 2022公布的光刻技术蓝图。(图片出自:IEEE IRDS官网)

另一方面,可以看出,IBM主要有以下两种目的:

第一,找到并确保合作研发尖端工艺的企业伙伴;

第二,增加一家可以实际生产制造晶圆的Foundry企业。

众所周知,IBM没有Foundry工厂,三星电子长期为IBM代工尖端逻辑半导体。据外海媒体报道,最先进的3纳米制程的良率很低,且很难提升(另外,也有消息指出5纳米的良率最近才提升至70%)。上述信息有可能是道听途说,但据说台积电也曾在3纳米的量产上费了很大功夫。因此,要想量产尖端工艺且保证较高的良率,是要花费很长一段时间的。对于IBM而言,找到三星电子以外的Foundry量产厂家十分重要。

实际上,在SEMICON Japan 2022的开幕式(即讨论会议)上,小池先生指出:“日本在尖端逻辑半导体方面落后了10~20年的时间,如果可以获得IBM的技术支持,将会十分有利。”在2022年12月13日的记者招待会上,Rapidus的东哲郎董事会长表示:“今天这样的日美合作项目,IBM在两年前就曾提出过。”

从这个意义上来说,Rapidus希望尽快掌握尖端工艺的技术,IBM希望找到第二家Foundry厂家,可谓是二者“一拍即合”。

量产的最大问题:采购EUV光刻机、技术成熟度

即使Rapidus在Albany学到了IBM的2纳米制程技术,也不一定就能直接量产。

最大的问题不是IBM,而是安装在SUNY Polytechnic Institute(包括Albany Nano Tech Complex)的EUV曝光设备:ADT(Alpha Demo Tool,首代EUV试做设备)、第三代“NEX:3300B”(至少IBM没有公布已经导入了上述两款设备以外的其他新款EUV曝光设备)

另一方面,必须要熟练使用全球最新款的EUV设备,才有望量产2纳米制程(以及更先进制程)、才有望实现小池先生标榜的“成为全球交货期最短的公司”。

此外,据预测,台积电应该不会使用新一代的、高NA EUV(此处,NA=0.55)。如果,IBM可用的EUV和实际量产需要的EUV之间存在技术差距,就有必要填补这一差距。

另一方面,IMEC作为全球最先进的尖端技术研发单位,也与Rapidus建立了合作关系。据说,IMEC也与ASML建立了合作关系,并在引进ASML的最新款EUV曝光机,以用于研发工作。Rapidus应该可以利用与IMEC的合作关系,获得ASML的最新一代光刻机的相关技术,并填补上述差距。

但另一个问题是,Rapidus能否获得光刻机?ASML的2022年光刻机出货是55台,2023年预测为60多台,2025年计划为90台。虽然ASML在逐步提高产能,但随着半导体制程微缩化发展,采用EUV的层数也会越来越多,因此,未来各半导体厂家依然会继续“争抢”光刻机。据说,由于很难采购到光刻机,三星电子领导人在2020年秋季奔赴ASML谈判后,于2021年成功引进了15台。

随着公司的启动,日本政府从国库中调配了700亿日元(约人民币35亿元)支援Rapidus,据说这笔资金计划将被用于公司的基础运营。实际上,该资金要在一段时间之后才可以落实。纵然实现量产,也需要一定数量的光刻机。从这个意义上来讲,考虑到建设工厂、引进设备的日程,能否在2020年下半期实现量产,还是一个未知数。

利用2纳米制程生产什么?

在Rapidus披露要量产2纳米的目标之后,很多声音指出:“用2纳米制程生产什么?”

丰田汽车、电装、NTT、IBM等企业都对Rapidus进行了投资,想必这些企业都是希望Rapidus能为自己代工半导体。但是,现在更重要的是Rapidus能否获得苹果、高通、AMD、英伟达、联发科等尖端Fabless客户。上述客户目前都在委托台积电、三星电子生产半导体。上述需要采用尖端工艺的客户都充分理解尖端工艺的附加价值,即使到了2纳米时代,也不会发生很大变化。

下面是一个与工艺微缩化比较类似的讨论话题:增加存储容量后,存储什么呢?每次都会出现NAND(偶尔也会出现价格下滑的现象)的新应用方式。需要用更高的速度、更低的功耗来处理未来诞生的庞大数据量。

此外,目前还不清楚超级计算机(Super Computer)所要求的性能。由于提高了运算能力,所以实现了实时(Real Time)的AI处理,且可以模拟分子的复杂、长时间运动。从历史经验来看,一定会有某个企业找到新的用途,并将其作为新的商机,建立市场。即使是2纳米,也会遵循上述规律。因此,重要的是掌握用户企业所要求的半导体性能技术。

要诞生上述新市场,不仅需要培养Fabless半导体厂家,也需要整备行业的设计、研发环境。按照以往的IDM(Integrated Design and Manufacture,垂直整合制造) 模式,由一家公司设计、生产半导体,晶圆工厂仅需为母公司生产半导体、且是母公司指定功能的半导体,需求十分明确。但是,在如今的Foundry和Fabless分工十分明确的时代,仅有生产能力是没有意义的,基于自身能力、并为客户提供更高价值的产品才更重要。纵然坐拥较高的技术,如果没有客户认可,依然无法产生交易。

针对Rapidus的业务,小池先生列举了三点:第一,人才培养;第二,基于最终市场、产品,构建生产体系;第三,基于半导体,实现绿色转型(GX)。现在开始研发尖端半导体,然后在一定时间内赶上先进厂家,的确是十分困难的。长年活跃于半导体行业的小池先生、东哲郎先生都应该充分认识到了这一点。

日本的土地上真的能再次生产出尖端逻辑半导体吗?时间会给我们答案。

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