日本半导体 “背水一战” 的赌注，都押在这座工厂里

日本，正在试图打造一家能够在短短四年时间内，赶上台积电和三星等巨头的半导体公司。 2022 年 8 月，丰田、索尼、铠侠、NEC 等 8 家日本公司共同成立了日本新一代半导体国家队 Rapidus。日本政府慷慨解囊，提供 3300 亿日元补贴。 Rapidus 一出生便肩负着复兴日本半导体产业的使命——该公司的目标是和台积电并驾齐驱，在 2027 年实现 2nm 逻辑芯片的国产化，重现日本上世纪 80 年代的半导体荣光。 2023 年 9 月 1 月，Rapidus 在北海道千岁市的工厂正式动工开建。 Rapidus 的诞生及其与 IBM 合作，被认为是日本重返尖端半导体制造业 “最后也是最重要的机会”，而日本半导体 “背水一战” 的赌注，也被认为押在了这座工厂里。 上世纪 80 年代，日本半导体产业称霸全球，但因挤占美国市场被美打压后走入低谷，韩国企业借此获得翻盘机会。上一个肩负着重振日本半导体使命的尔必达，也在三星的步步紧逼下节节败退，直至破产。 目前日本在半导体材料和设备上仍然具备主导性的优势，但落后了数十年的半导体制造环节能否在短期内补完功课？ Rapidus 能否复刻当年 “日之丸半导体” 的神话？还是重演 “尔必达失败” 的悲剧？ 日本半导体发展兴衰史 上世纪 60 年代，靠着美国在冷战时期的技术扶持（向日本转让了包括晶体管、黑白电视机、录音机在内的数百项技术），加上日本人独特的工匠精神，以及日本当时大量的廉价劳动力，日本制造开始在国际上高歌猛进。 然而，伴随着半导体技术从晶体管过渡到集成电路，日本的半导体企业依旧比美国落后整整一代。 为了追赶美国，日本政府一边采取 “以市场换技术” 的策略，一边动用举国体制，于 1976-1979 年牵头发起 “VLSI 联合研发计划”。 这套 “官产学” 的模式，最终发挥出了惊人的效率，日本半导体产业突飞猛进，生产的 DRAM 芯片，不仅性能出众，报价还比美国低 10%，从而迅速占领了市场。 80 年代的日本电子产业有多辉煌： 上游的材料与设备，有东京应化和 JSR 的光刻胶，有尼康光刻机的孤独求败。中游的 DRAM 坐拥全球一半的市场份额，全部自己研发、自己制造、自己封测，属于正宗的 “全产业链自主”，打得美国 DRAM 企业倒闭了 8 成。 当时，DRAM 市场排名前五的是日本的五巨头：NEC、日立、东芝、富士通、三菱电机，英特尔则濒临倒闭，被迫退出存储芯片市场，转型发展 CPU。 在下游的终端产品，日本当时也如日中天：夏普的面板和索尼的电视两手抓两手硬，Walkman 与富士的胶卷统治了家门外的世界，索尼的特丽珑（Trinitron）则是全球高端电视的代名词，1994 年，索尼彩电出货量高达一亿台。 但没过多久，美国人也开始反击。幸免于难的最后几家美国芯片公司，暂时搁置了各自的利益分歧，成立了美国半导体行业协会 SIA，开始了举国体制和举国体制的对决。 SIA 通过媒体在舆论上造势，渲染日本科技威胁论，引导民间的反日情绪，还游说国会：日本企业在这一领域的全面领先，将严重威胁美国国家安全。 在美国的压力下，日本先在 1985 年签署《广场协议》让日元急剧升值，1986 年又被迫签订了不平等的《日美半导体协议》，被要求开放半导体市场，保证 5 年内国外公司获得 20% 市场份额；期间美国不断对日本发起 “301 调查”，并对日半导体产品征收报复性关税。1991 年，日美之间又缔结了《第二次半导体协议》。 在前后好几轮半导体协议和惩罚性关税下来，日本半导体产业逐渐丧失技术和成本优势。 更关键在于，此后，在美国的扶持下，韩国三星迅速崛起。 美国像当年给日本输血一样，马力全开给三星输血，美国工程师不止给三星提供技术支持，供应商和市场分析也帮忙解决。 1982 年，韩国政府颁布类似日本 VLSI 计划的 “半导体产业振兴计划”。1983 年，三星建立半导体工厂，在美国的帮助下，仅仅用了 3 年时间，就一口气掌握了 16K 到 256K DRAM 的关键技术。 为了建立日本的先进生产线，三星疯狂从日本企业挖人挖设备，对日本半导体公司的高管猛轰糖衣炮弹，并且花高价组织了一个近百人的日本顾问团。 面对三星的追赶，日本有些着急，日本企业开始以三星成本的一半，低价抛售内存芯片，跟三星打价格战。 价格战一开打，芯片价格直接跳水，美国企业也扛不住了。于是，美国对日本和三星同时发起了反倾销诉讼。然而，美国对日本企业征收了 100% 的反倾销税，而对韩国只征收 0.74%！ 而就在价格战打得如火如荼之时，90 年代初期，日本泡沫经济崩盘了。 日本人终于撑不下去了。1992 年，三星首次领先日本，率先推出世界第一个 64M DRAM 产品。1993 年，东芝储存半导体生产量被三星超越，从储存半导体第一的位置跌落。1996 年，三星开发出世界第一个 1GB DRAM。 尔必达——90 年代末日本半导体的背水一战 在日本半导体风雨飘摇之际，1999 年，日本将日立、NEC 的储存芯片业务整合到一起，组成了新公司尔必达 (Elpida)，联合对抗韩国，2004 年三菱电机的 DRAM 业务也被并入。 尔必达，在希腊语中是 “希望” 的意思，它的诞生，实际上是日本半导体的背水一战，希望拥有强大新技术研发能力的日立，与拥有强大生产技术能力的 NEC 合二为一，能够诞生世界上最强大的 DRAM 内存制造商。 这是日本半导体最后的希望了。 因有政府资金和政策的保驾护航，尔必达的产品被打上了 “日本制造” 的烙印，也被称为 “日之丸半导体”，一度在全球 DRAM 领域掌握近 2 成份额。 但让人始料未及的是，在合并完成的两年后，尔必达在 DRAM 市场中的份额就从 17% 跌到 4%。 个中原因在分析人士看来，其实早在尔必达成立之前，日本半导体就已经失势了，加上美国企业都选择跟韩国合作，把日本孤立起来，尔必达的成立不过是最后的负隅顽抗。 一直以来，日本半导体企业在芯片良品率上采取的是从根源上解决问题，从思考设计制造过程出发，以不生产有缺陷的产品为前提。这套方法不仅提高了产品的可靠性，提高了成品率，也最终促进了生产效率提升，让日本半导体企业得以源源不断地输出廉价的 DRAM 产品。 但随着 PC 时代的到来，日本引以为傲的良品率和可靠性早已没有之前那么重要了。大型机可能需要能用 25 年的 DRAM，还会考虑持续性和稳定性，但个人电脑往往 5 年就会更新换代，更强调的是快速更新和成本可控。 但一直到尔必达成立，日本人也从未放弃对高品质的极致追求。尔必达也充分暴露了重组型企业的弊端：日立系擅长新技术研发，NEC 系擅长高成品率的量产，三菱系则擅长集成统筹。派系斗争中 NEC 系最终占据了上风，之后一直停留在日本半导体 “技术第一” 的自满循环里面，无心于 DRAM 的低成本生产技术。 为了达到 DRAM 的高良率，尔必达延续了日本半导体企业昂贵的设备使用习惯，每道工序都设置了专用设备，用着同一台设备，尔必达的晶圆吞吐量只有三星的一半。而即使尔必达的良品率再高，也无法达到三星电子的两倍。 最终，技术水平更高的尔必达的利润率仅为 3％，而三星电子高达 30％。于是，日本人眼中属于山寨货的三星 DRAM，依靠性价比快速扩张，伴随 PC 市场的繁荣跑马圈地。 另一方面，尔必达成立之初，芯片产业已经出现研发底层 IP、设计、制造三者分开的趋势，而日本企业没能跟上这个趋势。 随着摩尔定律稳步推进，只有三星和英特尔这样的公司，能够依靠下游终端产品的份额支撑制造端的技术投入。而失去了 PC 和智能手机终端地位的日本 IDM（垂直整合模式）企业，越来越难以承受制造与设计两端大规模的投资，最终在设计和制造两端双双落后。 2008 年前后，由于 Windows Vista 销量低迷，DRAM 供过于求价格狂跌，随后金融危机过境，半导体市场需求萎靡，尔必达眼睁睁看着 DRAM 价格跌破 1 美元。 此时已经家大业大的三星，在 DRAM 价格下跌、尔必达产能过剩的时期大举扩产，顶住亏损挤压尔必达的份额。积累了巨量亏损和负债的尔必达节节败退，即使日本政府极力扶持，仍回天无力。 2012 年，尔必达走向破产，被美光以 20 亿美元的白菜价打包带走。 至此，日本存储芯片最后的希望覆灭，一个支柱产业在日本坍塌，两个东亚国家也结下了历史恩仇。 蛰伏的十年 伴随着尔必达破产，日本半导体产业全线崩溃，松下、索尼、夏普三大巨头制造了创纪录的亏损，瑞萨电子（2003 年由日立和三菱电机半导体事业部合并成立）走向破产边缘。 这场破产引发的剧震，也给日本产业界带来了影响深远的次生灾害： 其一是终端品牌的衰落。夏普的电视、东芝的空调、松下的洗衣机和索尼的手机关的关卖的卖，消费电子巨头几乎都收缩成了零部件供应商。最惨的是索尼，照相机、walkman、音响影视这些优势项目，一个接一个撞在了 iPhone 的枪口上。 其二是上游产业链的坍塌。从面板、内存，到芯片制造，能输给韩国人的仗基本都输了。曾经大杀四方的日本存储芯片，只剩下东芝闪存一颗独苗，结果由于东芝转型核电受阻加之财务造假影响，闪存业务改名铠侠，挥泪甩卖给了贝恩资本。 接下来的十年，日本半导体企业采取了 “背后支援” 策略，即避开 “耀眼” 的完成品市场，专注于设备、材料等 “背后市场”。与此同时，瑞萨、索尼等半导体企业也逐渐收缩到了自己更擅长的领域。 瑞萨彻底退出智能手机市场，重新聚焦自己的传统优势项目——MCU。MCU 是俗称单片机，最大的应用场景是汽车。一直以来，汽车 MCU 都是瑞萨最赚钱也最有优势的业务，占据全球近四成市场。 索尼则是将有限的研发资源，投入到以 CIS 芯片为代表的数码影像业务，以零部件供应商的身份参与移动终端浪潮。 CIS 芯片是将光学图像转换为电信号的一种电子器件，是智能手机中不可或缺的零部件，也就是俗称的 “底”。2011 年，iPhone 4s 首次采用索尼 IMX145，CIS 概念开始炙手可热。此后从三星的 S7 系列到华为的 P8、P9 系列，索尼的 CIS 芯片几乎成为旗舰机型标配。 从 2016 年开始，索尼逐渐将 CIS 的战略重心转向车载领域。CIS 芯片在自动驾驶中负责对环境信息的捕捉，也就是汽车的眼睛，重要性不言而喻。到 2017 年，索尼携三层堆叠 CMOS 图像传感器亮相 ISSCC 会议，霸主地位已无可撼动。 与 CPU、GPU 这类依靠集成度提高计算能力的芯片不同，MCU 和 CIS 作为 “功能型芯片”，对先进制程要求不高，但对可靠性、耐用性的要求更高，非常依赖工匠精神。 比起索尼的高端 CIS 还需要台积电代工，瑞萨的 MCU 产品工艺制程大多停留在 90nm 甚至 110nm，技术门槛不高、更新换代缓慢，但生命周期长，而且客户一旦选用不会轻易更换。 所以，虽然日本的存储芯片被韩国打得满地找牙，但在以模拟芯片为代表的产业话语权，日本几乎从未旁落。 曾经因为信仰技术第一，造就了日本半导体上世纪 80 年代的辉煌，但也因为依赖这套信仰，造成了后来的由盛转衰以及尔必达的破产，但最后还是因为这套信仰，从 MCU、CIS、半导体材料再到半导体设备，日本半导体得以保存火种。 不过，这些领域和面板、存储相比，市场并不算大。这也是让日本官方和产业界难以介怀的地方：相比失去的传统优势项目，他们得到的实在太少了。 根据 IC Insights 数据，2021 年半导体全球市场份额美国占据 54%，韩国 22%，中国台湾 9%，日本仅为 6%。 因此，日本官方从未放弃收复失地的目标，这也是瞄准 2nm 工艺的 Rapidus 成立的重要背景。 Rapidus——“最后也是最重要的机会” 过去三十年，美国的打压给日本留下了心理阴影，失去了东山再起的信心。 但如今，时代变迁，台积电、三星等企业相继 “失宠”，日本又与美国在半导体领域携手同行。去年日本宣布将与美国共同投资 1.3 万亿日元用于联合开发下一代半导体，并成立国家队 Rapidus。 2022 年 11 月，Rapidus 与美国 IBM 宣布建立伙伴关系，并于次月与 IBM 针对转移 IBM 的 2nm 技术达成合作。 IBM 于 2021 年在全球率先试制出 2nm 制程的芯片。据报道，目前，Rapidus 已向 IBM 派遣了 100 名技术人员，向 IBM 学习 2nm 制程所需的 GAA（全环绕栅极）技术。 去年 5 月，日本时任经济产业大臣萩生田光一在访美时说出了心里话： “在半导体领域与美国合作，感觉到了命运的奇异。” 日本政府将当下视为重振日本半导体 “最后也是最重要的机会”。 在过去三十年间，日本半导体制造业一路衰退，特别是在逻辑半导体领域，日本并不具备先进逻辑半导体的设计和开发能力，在生产方面也还停留在 40nm 制程及以上，且在 40nm-90nm 制程的产能占比仅为 18%。日本产业界认为，日本半导体制造业正面临着生死存亡的关键时期。 此外，尽管日本在半导体产业上游的半导体材料（市占率约 50%）和设备（市占率约 30%）上仍具备较强竞争力，但也面临着东亚邻居的竞争，不能说处于高枕无忧的状态。即便是 MCU、CIS 等最后的壁垒，也是如此。 日本一些分析称，日本政府和产业界人士之间正弥漫着这样一种紧迫感，即当前已经是日本半导体产业尤其是制造业振兴的 “最后时机”，如果错过这一时机，日本国内的半导体制造业在 2030 年可能会完全丧失国际竞争力。 另外，日本半导体专家认为，当前半导体产业不再单纯遵循 “摩尔定律”， 正在从日本起步较晚的 “深度摩尔”（沿着摩尔定律继续推进平面方向微缩化）向 3D 封装等 “超越摩尔”（跨越摩尔定律，通过堆叠和芯粒等先进封装技术谋求发展）的技术路线演进。日本半导体产业凭借在设备和材料等方面的竞争力，有望迎来重新崛起的最大机遇。 随着数字产业的快速发展以及半导体技术在其发展中的重要性凸显，日本希望在数据中心、自动驾驶、新一代通信标准 6G 和元宇宙等领域赢得竞争，因此亟需重塑产业链，研发先进芯片工艺，抢占未来数字化科技竞争的制高点。 复刻当年的模式 近两年多来，日本在半导体领域的动作频频。 2021 年 3 月，日本经济产业省设立 “半导体和数字产业战略研究会”。 2021 年 6 月，经产省公布了《半导体与数字产业战略》，指示 “三步走” 战略——恢复半导体产能、推动下一代半导体的发展、为未来技术 “奠基”。 第一步中的重要一环就是引入台积电。日本政府提供总额约 4760 亿日元的补贴，邀请台积电在熊本县建设半导体工厂。据悉，熊本新工厂将于 2024 年 12 月投入运营。 第二步采用 “双轮驱动” 的方式建构下一代半导体的量产体系。一个是 2022 年 8 月，八家日本公司成立合资企业 Rapidus，承接半导体芯片生产业务，另一个是 2022 年 11 月，日本经产省牵头组建了 “技术研究组合最先端半导体技术中心（LSTC）”，负责建立开放式的研发团队。 依旧是熟悉的味道，上世纪 70 年代 “官产学” 的配方。 最后的第三步，日本计划于 2030 年以后，凭借基于 NTT 的 IOWN 构想先行发展起来的光电融合技术来改变游戏规则。 能复刻当年的神话吗？ “Rapidus” 的拉丁语含义为 “快”，预示着日本将掀起一场速度战。 上一个代表 “希望” 的尔必达，最终让日本希望破灭。如今代表 “快” 的 Rapidus，能否让日本如愿从 2027 年起实现尖端芯片量产，再现上世纪 80 年代的半导体产业荣光呢？ 据分析，整体来看，日本已具备发展先进芯片工艺的产业基础，即使在半导体核心制造环节上，也有一定的竞争力。同时，日本在半导体产业领域选择与美国加强合作，使其在材料、设备与设计领域均拥有较大的优势。可以说，美日两国除了光刻设备之外，几乎能全部自主生产供应，半导体材料、EDA 设计软件则处于绝对垄断地位。 不过，日本要想在数年之内填补过去近 20 年的先进半导体制造环节，仍需面对两大问题：人才和资金。 据悉，2mn 半导体的制造过程中大概有 1000 至 2000 个工序，普遍来说需要约 1000 名技术人员，而目前 Rapidus 只招聘了 200 多名员工，并且此前 Rapidus 总裁兼首席执行官小池淳义在接受专访时表示，现有工程师大都超过 50 岁。不过，小池淳义却表示，将要在 2mn 半导体制造中，引入 AI 和自动化技术，可将人力需求减少到 500 人左右。 而资金方面，2nm 芯片工艺的投资高得令人咂舌，比如台积电在美国的 3nm 芯片产线就投资 400 亿美元，这也是 Rapidus 董事长东哲郎为什么会提出 540 亿美元（约合 7 万亿日元）资金需求的原因。 此前小池淳义告诉媒体表示，Rapidus 和台积电的商业模型不同，不担心人才荒议题。不过，他承认目前资金不足，解决选项之一是 IPO。 另外，技术方面也存在隐忧。日本在半导体制造上仍落后中国台湾与韩国很多，台积电与三星现在已经开始量产 3nm 产品，并计划最早在 2025 年量产 2nm 产品。而目前日本主要的半导体生产线仍在 40nm 阶段，为升级半导体制造产业，还吸引台积电到熊本县建厂生产 12-28nm 的逻辑运算芯片。 因此，可以说，从 “零” 开始的 Rapidus 一步到位直接上线 2nm 芯片工艺是否是一场 “技术大跃进”？即使是 Rapidus 有 IBM 的 2nm 芯片技术支持，打造出 2nm 的生产线，其也会大大落后于台积电、三星，而且也很大可能像如今三星低良率的 3nm 芯片工艺，成为商业化应用的致命关键。 IBM 在 2014 年将旗下半导体部门出售给格芯之后，该公司就已经宣告退出芯片代工业务，只负责芯片技术研究、设计部分，这意味着IBM 不可能像台积电那样一直在制造一线摸爬滚打，具备丰富的实践经验，其技术落地能力也就是一个大大的问号。 除了技术、人才、资金，即使 Rapidus 在几年后真的发生神迹，搞定了 2nm 的量产，解决了良品率后，也面临如何获得国内外客户的问题。 在半导体代工领域，台积电拥有全球过半份额，韩国三星电子和美国英特尔也涉足代工，Rapidus 面对巨型企业毫无胜算。 晶圆代工最重要的就是规模效应，没有苹果这样大规模采购先进制程芯片的终端客户，如果去依靠服务器和超级计算机的客户，所产生的收益能否带来盈利都存疑，之后的制程迭代更是无从保证。 还有，美国已经落地实施了芯片产业扶持政策，意图将全球半导体产业链回迁至美国本土，同时也将半导体技术竞争上升到国运的高度。如果 IBM 的 2nm 技术能顺利落地，美国会对 Rapidus 这个非本土企业承接先进芯片工艺视而不见吗？ 当年，在击败了尔必达之后，韩国人庆祝了很久很久，他们为自己终于走到了世界巅峰而欢呼，为自己终于击败了日本而欢呼。 韩国人并没有想到，自己不是笑到最后的那个，美国从来没有忘记韩国的半导体企业。 结果是——如今三星有 55% 的股权是被外资控股的，其中大部分是美资。