日本半導體 “背水一戰” 的賭注，都押在這座工廠裏

日本，正在試圖打造一家能夠在短短四年時間內，趕上台積電和三星等巨頭的半導體公司。 2022 年 8 月，豐田、索尼、鎧俠、NEC 等 8 家日本公司共同成立了日本新一代半導體國家隊 Rapidus。日本政府慷慨解囊，提供 3300 億日元補貼。 Rapidus 一出生便肩負着復興日本半導體產業的使命——該公司的目標是和台積電並駕齊驅，在 2027 年實現 2nm 邏輯芯片的國產化，重現日本上世紀 80 年代的半導體榮光。 2023 年 9 月 1 月，Rapidus 在北海道千歲市的工廠正式動工開建。 Rapidus 的誕生及其與 IBM 合作，被認為是日本重返尖端半導體制造業 “最後也是最重要的機會”，而日本半導體 “背水一戰” 的賭注，也被認為押在了這座工廠裏。 上世紀 80 年代，日本半導體產業稱霸全球，但因擠佔美國市場被美打壓後走入低谷，韓國企業藉此獲得翻盤機會。上一個肩負着重振日本半導體使命的爾必達，也在三星的步步緊逼下節節敗退，直至破產。 目前日本在半導體材料和設備上仍然具備主導性的優勢，但落後了數十年的半導體制造環節能否在短期內補完功課？ Rapidus 能否復刻當年 “日之丸半導體” 的神話？還是重演 “爾必達失敗” 的悲劇？ 日本半導體發展興衰史 上世紀 60 年代，靠着美國在冷戰時期的技術扶持（向日本轉讓了包括晶體管、黑白電視機、錄音機在內的數百項技術），加上日本人獨特的工匠精神，以及日本當時大量的廉價勞動力，日本製造開始在國際上高歌猛進。 然而，伴隨着半導體技術從晶體管過渡到集成電路，日本的半導體企業依舊比美國落後整整一代。 為了追趕美國，日本政府一邊採取 “以市場換技術” 的策略，一邊動用舉國體制，於 1976-1979 年牽頭髮起 “VLSI 聯合研發計劃”。 這套 “官產學” 的模式，最終發揮出了驚人的效率，日本半導體產業突飛猛進，生產的 DRAM 芯片，不僅性能出眾，報價還比美國低 10%，從而迅速佔領了市場。 80 年代的日本電子產業有多輝煌： 上游的材料與設備，有東京應化和 JSR 的光刻膠，有尼康光刻機的孤獨求敗。中游的 DRAM 坐擁全球一半的市場份額，全部自己研發、自己製造、自己封測，屬於正宗的 “全產業鏈自主”，打得美國 DRAM 企業倒閉了 8 成。 當時，DRAM 市場排名前五的是日本的五巨頭：NEC、日立、東芝、富士通、三菱電機，英特爾則瀕臨倒閉，被迫退出存儲芯片市場，轉型發展 CPU。 在下游的終端產品，日本當時也如日中天：夏普的面板和索尼的電視兩手抓兩手硬，Walkman 與富士的膠捲統治了家門外的世界，索尼的特麗瓏（Trinitron）則是全球高端電視的代名詞，1994 年，索尼彩電出貨量高達一億台。 但沒過多久，美國人也開始反擊。倖免於難的最後幾家美國芯片公司，暫時擱置了各自的利益分歧，成立了美國半導體行業協會 SIA，開始了舉國體制和舉國體制的對決。 SIA 通過媒體在輿論上造勢，渲染日本科技威脅論，引導民間的反日情緒，還遊説國會：日本企業在這一領域的全面領先，將嚴重威脅美國國家安全。 在美國的壓力下，日本先在 1985 年簽署《廣場協議》讓日元急劇升值，1986 年又被迫簽訂了不平等的《日美半導體協議》，被要求開放半導體市場，保證 5 年內國外公司獲得 20% 市場份額；期間美國不斷對日本發起 “301 調查”，並對日半導體產品徵收報復性關税。1991 年，日美之間又締結了《第二次半導體協議》。 在前後好幾輪半導體協議和懲罰性關税下來，日本半導體產業逐漸喪失技術和成本優勢。 更關鍵在於，此後，在美國的扶持下，韓國三星迅速崛起。 美國像當年給日本輸血一樣，馬力全開給三星輸血，美國工程師不止給三星提供技術支持，供應商和市場分析也幫忙解決。 1982 年，韓國政府頒佈類似日本 VLSI 計劃的 “半導體產業振興計劃”。1983 年，三星建立半導體工廠，在美國的幫助下，僅僅用了 3 年時間，就一口氣掌握了 16K 到 256K DRAM 的關鍵技術。 為了建立日本的先進生產線，三星瘋狂從日本企業挖人挖設備，對日本半導體公司的高管猛轟糖衣炮彈，並且花高價組織了一個近百人的日本顧問團。 面對三星的追趕，日本有些着急，日本企業開始以三星成本的一半，低價拋售內存芯片，跟三星打價格戰。 價格戰一開打，芯片價格直接跳水，美國企業也扛不住了。於是，美國對日本和三星同時發起了反傾銷訴訟。然而，美國對日本企業徵收了 100% 的反傾銷税，而對韓國只徵收 0.74%！ 而就在價格戰打得如火如荼之時，90 年代初期，日本泡沫經濟崩盤了。 日本人終於撐不下去了。1992 年，三星首次領先日本，率先推出世界第一個 64M DRAM 產品。1993 年，東芝儲存半導體生產量被三星超越，從儲存半導體第一的位置跌落。1996 年，三星開發出世界第一個 1GB DRAM。 爾必達——90 年代末日本半導體的背水一戰 在日本半導體風雨飄搖之際，1999 年，日本將日立、NEC 的儲存芯片業務整合到一起，組成了新公司爾必達 (Elpida)，聯合對抗韓國，2004 年三菱電機的 DRAM 業務也被併入。 爾必達，在希臘語中是 “希望” 的意思，它的誕生，實際上是日本半導體的背水一戰，希望擁有強大新技術研發能力的日立，與擁有強大生產技術能力的 NEC 合二為一，能夠誕生世界上最強大的 DRAM 內存製造商。 這是日本半導體最後的希望了。 因有政府資金和政策的保駕護航，爾必達的產品被打上了 “日本製造” 的烙印，也被稱為 “日之丸半導體”，一度在全球 DRAM 領域掌握近 2 成份額。 但讓人始料未及的是，在合併完成的兩年後，爾必達在 DRAM 市場中的份額就從 17% 跌到 4%。 箇中原因在分析人士看來，其實早在爾必達成立之前，日本半導體就已經失勢了，加上美國企業都選擇跟韓國合作，把日本孤立起來，爾必達的成立不過是最後的負隅頑抗。 一直以來，日本半導體企業在芯片良品率上採取的是從根源上解決問題，從思考設計製造過程出發，以不生產有缺陷的產品為前提。這套方法不僅提高了產品的可靠性，提高了成品率，也最終促進了生產效率提升，讓日本半導體企業得以源源不斷地輸出廉價的 DRAM 產品。 但隨着 PC 時代的到來，日本引以為傲的良品率和可靠性早已沒有之前那麼重要了。大型機可能需要能用 25 年的 DRAM，還會考慮持續性和穩定性，但個人電腦往往 5 年就會更新換代，更強調的是快速更新和成本可控。 但一直到爾必達成立，日本人也從未放棄對高品質的極致追求。爾必達也充分暴露了重組型企業的弊端：日立系擅長新技術研發，NEC 系擅長高成品率的量產，三菱系則擅長集成統籌。派系鬥爭中 NEC 系最終佔據了上風，之後一直停留在日本半導體 “技術第一” 的自滿循環裏面，無心於 DRAM 的低成本生產技術。 為了達到 DRAM 的高良率，爾必達延續了日本半導體企業昂貴的設備使用習慣，每道工序都設置了專用設備，用着同一台設備，爾必達的晶圓吞吐量只有三星的一半。而即使爾必達的良品率再高，也無法達到三星電子的兩倍。 最終，技術水平更高的爾必達的利潤率僅為 3％，而三星電子高達 30％。於是，日本人眼中屬於山寨貨的三星 DRAM，依靠性價比快速擴張，伴隨 PC 市場的繁榮跑馬圈地。 另一方面，爾必達成立之初，芯片產業已經出現研發底層 IP、設計、製造三者分開的趨勢，而日本企業沒能跟上這個趨勢。 隨着摩爾定律穩步推進，只有三星和英特爾這樣的公司，能夠依靠下游終端產品的份額支撐製造端的技術投入。而失去了 PC 和智能手機終端地位的日本 IDM（垂直整合模式）企業，越來越難以承受制造與設計兩端大規模的投資，最終在設計和製造兩端雙雙落後。 2008 年前後，由於 Windows Vista 銷量低迷，DRAM 供過於求價格狂跌，隨後金融危機過境，半導體市場需求萎靡，爾必達眼睜睜看着 DRAM 價格跌破 1 美元。 此時已經家大業大的三星，在 DRAM 價格下跌、爾必達產能過剩的時期大舉擴產，頂住虧損擠壓爾必達的份額。積累了巨量虧損和負債的爾必達節節敗退，即使日本政府極力扶持，仍迴天無力。 2012 年，爾必達走向破產，被美光以 20 億美元的白菜價打包帶走。 至此，日本存儲芯片最後的希望覆滅，一個支柱產業在日本坍塌，兩個東亞國家也結下了歷史恩仇。 蟄伏的十年 伴隨着爾必達破產，日本半導體產業全線崩潰，松下、索尼、夏普三大巨頭製造了創紀錄的虧損，瑞薩電子（2003 年由日立和三菱電機半導體事業部合併成立）走向破產邊緣。 這場破產引發的劇震，也給日本產業界帶來了影響深遠的次生災害： 其一是終端品牌的衰落。夏普的電視、東芝的空調、松下的洗衣機和索尼的手機關的關賣的賣，消費電子巨頭幾乎都收縮成了零部件供應商。最慘的是索尼，照相機、walkman、音響影視這些優勢項目，一個接一個撞在了 iPhone 的槍口上。 其二是上游產業鏈的坍塌。從面板、內存，到芯片製造，能輸給韓國人的仗基本都輸了。曾經大殺四方的日本存儲芯片，只剩下東芝閃存一顆獨苗，結果由於東芝轉型核電受阻加之財務造假影響，閃存業務改名鎧俠，揮淚甩賣給了貝恩資本。 接下來的十年，日本半導體企業採取了 “背後支援” 策略，即避開 “耀眼” 的完成品市場，專注於設備、材料等 “背後市場”。與此同時，瑞薩、索尼等半導體企業也逐漸收縮到了自己更擅長的領域。 瑞薩徹底退出智能手機市場，重新聚焦自己的傳統優勢項目——MCU。MCU 是俗稱單片機，最大的應用場景是汽車。一直以來，汽車 MCU 都是瑞薩最賺錢也最有優勢的業務，佔據全球近四成市場。 索尼則是將有限的研發資源，投入到以 CIS 芯片為代表的數碼影像業務，以零部件供應商的身份參與移動終端浪潮。 CIS 芯片是將光學圖像轉換為電信號的一種電子器件，是智能手機中不可或缺的零部件，也就是俗稱的 “底”。2011 年，iPhone 4s 首次採用索尼 IMX145，CIS 概念開始炙手可熱。此後從三星的 S7 系列到華為的 P8、P9 系列，索尼的 CIS 芯片幾乎成為旗艦機型標配。 從 2016 年開始，索尼逐漸將 CIS 的戰略重心轉向車載領域。CIS 芯片在自動駕駛中負責對環境信息的捕捉，也就是汽車的眼睛，重要性不言而喻。到 2017 年，索尼攜三層堆疊 CMOS 圖像傳感器亮相 ISSCC 會議，霸主地位已無可撼動。 與 CPU、GPU 這類依靠集成度提高計算能力的芯片不同，MCU 和 CIS 作為 “功能型芯片”，對先進製程要求不高，但對可靠性、耐用性的要求更高，非常依賴工匠精神。 比起索尼的高端 CIS 還需要台積電代工，瑞薩的 MCU 產品工藝製程大多停留在 90nm 甚至 110nm，技術門檻不高、更新換代緩慢，但生命週期長，而且客户一旦選用不會輕易更換。 所以，雖然日本的存儲芯片被韓國打得滿地找牙，但在以模擬芯片為代表的產業話語權，日本幾乎從未旁落。 曾經因為信仰技術第一，造就了日本半導體上世紀 80 年代的輝煌，但也因為依賴這套信仰，造成了後來的由盛轉衰以及爾必達的破產，但最後還是因為這套信仰，從 MCU、CIS、半導體材料再到半導體設備，日本半導體得以保存火種。 不過，這些領域和麪板、存儲相比，市場並不算大。這也是讓日本官方和產業界難以介懷的地方：相比失去的傳統優勢項目，他們得到的實在太少了。 根據 IC Insights 數據，2021 年半導體全球市場份額美國佔據 54%，韓國 22%，中國台灣 9%，日本僅為 6%。 因此，日本官方從未放棄收復失地的目標，這也是瞄準 2nm 工藝的 Rapidus 成立的重要背景。 Rapidus——“最後也是最重要的機會” 過去三十年，美國的打壓給日本留下了心理陰影，失去了東山再起的信心。 但如今，時代變遷，台積電、三星等企業相繼 “失寵”，日本又與美國在半導體領域攜手同行。去年日本宣佈將與美國共同投資 1.3 萬億日元用於聯合開發下一代半導體，併成立國家隊 Rapidus。 2022 年 11 月，Rapidus 與美國 IBM 宣佈建立夥伴關係，並於次月與 IBM 針對轉移 IBM 的 2nm 技術達成合作。 IBM 於 2021 年在全球率先試製出 2nm 製程的芯片。據報道，目前，Rapidus 已向 IBM 派遣了 100 名技術人員，向 IBM 學習 2nm 製程所需的 GAA（全環繞柵極）技術。 去年 5 月，日本時任經濟產業大臣萩生田光一在訪美時説出了心裏話： “在半導體領域與美國合作，感覺到了命運的奇異。” 日本政府將當下視為重振日本半導體 “最後也是最重要的機會”。 在過去三十年間，日本半導體制造業一路衰退，特別是在邏輯半導體領域，日本並不具備先進邏輯半導體的設計和開發能力，在生產方面也還停留在 40nm 製程及以上，且在 40nm-90nm 製程的產能佔比僅為 18%。日本產業界認為，日本半導體制造業正面臨着生死存亡的關鍵時期。 此外，儘管日本在半導體產業上游的半導體材料（市佔率約 50%）和設備（市佔率約 30%）上仍具備較強競爭力，但也面臨着東亞鄰居的競爭，不能説處於高枕無憂的狀態。即便是 MCU、CIS 等最後的壁壘，也是如此。 日本一些分析稱，日本政府和產業界人士之間正瀰漫着這樣一種緊迫感，即當前已經是日本半導體產業尤其是製造業振興的 “最後時機”，如果錯過這一時機，日本國內的半導體制造業在 2030 年可能會完全喪失國際競爭力。 另外，日本半導體專家認為，當前半導體產業不再單純遵循 “摩爾定律”， 正在從日本起步較晚的 “深度摩爾”（沿着摩爾定律繼續推進平面方向微縮化）向 3D 封裝等 “超越摩爾”（跨越摩爾定律，通過堆疊和芯粒等先進封裝技術謀求發展）的技術路線演進。日本半導體產業憑藉在設備和材料等方面的競爭力，有望迎來重新崛起的最大機遇。 隨着數字產業的快速發展以及半導體技術在其發展中的重要性凸顯，日本希望在數據中心、自動駕駛、新一代通信標準 6G 和元宇宙等領域贏得競爭，因此亟需重塑產業鏈，研發先進芯片工藝，搶佔未來數字化科技競爭的制高點。 復刻當年的模式 近兩年多來，日本在半導體領域的動作頻頻。 2021 年 3 月，日本經濟產業省設立 “半導體和數字產業戰略研究會”。 2021 年 6 月，經產省公佈了《半導體與數字產業戰略》，指示 “三步走” 戰略——恢復半導體產能、推動下一代半導體的發展、為未來技術 “奠基”。 第一步中的重要一環就是引入台積電。日本政府提供總額約 4760 億日元的補貼，邀請台積電在熊本縣建設半導體工廠。據悉，熊本新工廠將於 2024 年 12 月投入運營。 第二步採用 “雙輪驅動” 的方式建構下一代半導體的量產體系。一個是 2022 年 8 月，八家日本公司成立合資企業 Rapidus，承接半導體芯片生產業務，另一個是 2022 年 11 月，日本經產省牽頭組建了 “技術研究組合最先端半導體技術中心（LSTC）”，負責建立開放式的研發團隊。 依舊是熟悉的味道，上世紀 70 年代 “官產學” 的配方。 最後的第三步，日本計劃於 2030 年以後，憑藉基於 NTT 的 IOWN 構想先行發展起來的光電融合技術來改變遊戲規則。 能復刻當年的神話嗎？ “Rapidus” 的拉丁語含義為 “快”，預示着日本將掀起一場速度戰。 上一個代表 “希望” 的爾必達，最終讓日本希望破滅。如今代表 “快” 的 Rapidus，能否讓日本如願從 2027 年起實現尖端芯片量產，再現上世紀 80 年代的半導體產業榮光呢？ 據分析，整體來看，日本已具備發展先進芯片工藝的產業基礎，即使在半導體核心製造環節上，也有一定的競爭力。同時，日本在半導體產業領域選擇與美國加強合作，使其在材料、設備與設計領域均擁有較大的優勢。可以説，美日兩國除了光刻設備之外，幾乎能全部自主生產供應，半導體材料、EDA 設計軟件則處於絕對壟斷地位。 不過，日本要想在數年之內填補過去近 20 年的先進半導體制造環節，仍需面對兩大問題：人才和資金。 據悉，2mn 半導體的製造過程中大概有 1000 至 2000 個工序，普遍來説需要約 1000 名技術人員，而目前 Rapidus 只招聘了 200 多名員工，並且此前 Rapidus 總裁兼首席執行官小池淳義在接受專訪時表示，現有工程師大都超過 50 歲。不過，小池淳義卻表示，將要在 2mn 半導體制造中，引入 AI 和自動化技術，可將人力需求減少到 500 人左右。 而資金方面，2nm 芯片工藝的投資高得令人咂舌，比如台積電在美國的 3nm 芯片產線就投資 400 億美元，這也是 Rapidus 董事長東哲郎為什麼會提出 540 億美元（約合 7 萬億日元）資金需求的原因。 此前小池淳義告訴媒體表示，Rapidus 和台積電的商業模型不同，不擔心人才荒議題。不過，他承認目前資金不足，解決選項之一是 IPO。 另外，技術方面也存在隱憂。日本在半導體制造上仍落後中國台灣與韓國很多，台積電與三星現在已經開始量產 3nm 產品，並計劃最早在 2025 年量產 2nm 產品。而目前日本主要的半導體生產線仍在 40nm 階段，為升級半導體制造產業，還吸引台積電到熊本縣建廠生產 12-28nm 的邏輯運算芯片。 因此，可以説，從 “零” 開始的 Rapidus 一步到位直接上線 2nm 芯片工藝是否是一場 “技術大躍進”？即使是 Rapidus 有 IBM 的 2nm 芯片技術支持，打造出 2nm 的生產線，其也會大大落後於台積電、三星，而且也很大可能像如今三星低良率的 3nm 芯片工藝，成為商業化應用的致命關鍵。 IBM 在 2014 年將旗下半導體部門出售給格芯之後，該公司就已經宣告退出芯片代工業務，只負責芯片技術研究、設計部分，這意味着IBM 不可能像台積電那樣一直在製造一線摸爬滾打，具備豐富的實踐經驗，其技術落地能力也就是一個大大的問號。 除了技術、人才、資金，即使 Rapidus 在幾年後真的發生神蹟，搞定了 2nm 的量產，解決了良品率後，也面臨如何獲得國內外客户的問題。 在半導體代工領域，台積電擁有全球過半份額，韓國三星電子和美國英特爾也涉足代工，Rapidus 面對巨型企業毫無勝算。 晶圓代工最重要的就是規模效應，沒有蘋果這樣大規模採購先進製程芯片的終端客户，如果去依靠服務器和超級計算機的客户，所產生的收益能否帶來盈利都存疑，之後的製程迭代更是無從保證。 還有，美國已經落地實施了芯片產業扶持政策，意圖將全球半導體產業鏈回遷至美國本土，同時也將半導體技術競爭上升到國運的高度。如果 IBM 的 2nm 技術能順利落地，美國會對 Rapidus 這個非本土企業承接先進芯片工藝視而不見嗎？ 當年，在擊敗了爾必達之後，韓國人慶祝了很久很久，他們為自己終於走到了世界巔峯而歡呼，為自己終於擊敗了日本而歡呼。 韓國人並沒有想到，自己不是笑到最後的那個，美國從來沒有忘記韓國的半導體企業。 結果是——如今三星有 55% 的股權是被外資控股的，其中大部分是美資。