休眠30年，直追2nm，日本哪來的底氣？

日本為什么著急重振半導體？芯片制造從40nm直接跳到2nm，日本咋想的？摩爾定律即將終結，芯片技術發(fā)展將走向何方？為什么時間成本會越來越重要？AI將在半導體發(fā)展中扮演什么角色？為什么不要芯片戰(zhàn)爭？......

提到日本半導體，想到的總是那么些關鍵詞：失落的三十年、廣場協(xié)定、上游材料的王者......

在過去30年幾乎沉寂的日本半導體，在最近兩年異?；钴S。最矚目的就是8家日本領先企業(yè)聯(lián)合成立的半導體制造商Rapidus，直接劍指2nm，意圖與臺積電和三星對抗。

日本正將一切押注于半導體復興。

今年，克里斯·米勒的《芯片戰(zhàn)爭》成為了半導體圈的熱書，而在海對岸的日本，有一本書和《芯片戰(zhàn)爭》一起被放在了書架最矚目的位置，那就是黑田忠廣的《半導體超進化論》。

作者黑田忠廣是東京大學研究生院電氣工程和系統(tǒng)科學系教授，曾就職于東芝、慶應大學以及加州大學伯克利分校，現(xiàn)為東京大學教授，是日本半導體復興計劃的關鍵人物，有媒體稱其為3D堆疊技術第一人。

日本復興半導體：直沖2nm

日本半導體產(chǎn)業(yè)幾乎休眠30年，在芯片制造技術方面落后于臺積電和三星約10年，目前處于40nm工藝節(jié)點。

在先進制程落后的緊迫感下，日本8大巨頭公司在去年8月合體創(chuàng)辦了Rapidus ，與IBM合作開發(fā) 2nm技術，以便在日本建造一座或多座晶圓廠進行生產(chǎn)。

能理解日本想要在先進制程上發(fā)力的目標，但上來就要量產(chǎn)2nm，誰給他的底氣？

或許日本自己也很難說底氣是什么，更多的是不得不做的緊迫，這是他們的“背水一戰(zhàn)”。

全球半導體市場預計將以每年 8%?的速度快速增長，到 2030?年，市值規(guī)?？赡苓_到目前的兩倍，市場總值將超過100萬億日元。日本半導體企業(yè)的全球市場份額在 1988 年曾高達 50%，但現(xiàn)在跌到僅剩 10%。過去20多年以來幾乎處于“休眠狀態(tài)”，在這種形勢下，日本決定以國家命運為賭注，將其押注到半導體產(chǎn)業(yè)的復興上。

日本的半導體復興需要什么？

僅靠固有的策略很難挽回失去的 30?年，預見競爭舞臺并提前投資成為了關鍵。為此，作者在第二章《卷土重來》中提出了目前產(chǎn)業(yè)的3個變化。

首先，產(chǎn)業(yè)主角的更替。邏輯芯片的主戰(zhàn)場正從通用芯片轉向專用芯片。背后有3個原因：隨著數(shù)據(jù)的急劇增長以及AI處理的復雜化，能源危機正在加??；AI 的出現(xiàn)將用電效率提高10倍以上；半導體產(chǎn)業(yè)結構分工化，企業(yè)可以根據(jù)自己的業(yè)務模型，自主開發(fā)專用芯片。

其次，市場的波動。每四分之一個世紀，就會有大波動沖擊半導體市場，比如之前的家用電器、PC和智能手機，日本只抓住了第一波。即將來臨的第四波浪潮是通過使用傳感器、AI 和馬達使網(wǎng)絡空間和物理空間高度融合，也就是利用“數(shù)字孿生”技術來創(chuàng)造以人為中心的社會，也就是“社會 5.0”。

第三，技術的范式轉變。一種是從馮·諾依曼架構轉向神經(jīng)網(wǎng)絡，另一種是從微細化轉向3D集成，芯片的微細化已經(jīng)接近極限，3D 集成可以大幅度減少數(shù)據(jù)傳輸的能耗。

并且，以上三個變化本質都是能源問題，能源消耗的急劇增長是由半導體引起，因此解決這個問題的關鍵也在半導體，就是要提高半導體能源效率。

提高能源效率的關鍵，作者提出了兩點：微細化技術和3D集成。

微細化方面的行動代表就是Rapidus。比起臺積電“應有盡有”的產(chǎn)線，Rapidus只在短時間內，以小批量的方式，生產(chǎn)全世界最先進的產(chǎn)品。從 2 nm工藝開始提供代工，只使用最先進的 3 代工藝技術。

就算在日本業(yè)內，也有很多人質疑Rapidus的策略，這樣會不會太冒進了？

作者表示看好Rapidus的戰(zhàn)略。首先，最先進的技術是有利可圖的，事實上臺積電最賺錢的部分就是來自其最先進的技術。

過去，即便是最先進的技術也要靠低價競爭來盈利，現(xiàn)在，最先進入市場的玩家逐年減少，成為一個寡頭市場。但是，最先進芯片的需求始終存在并且擴大，先入場的玩家便有了議價的底氣。

其次，5nm市場已經(jīng)被臺積電、三星和英特爾完成了折舊，他們想阻止新玩家入場很容易。而2nm采用的是GAA技術，而不是5nm和3nm的FinFET技術，與其期待“舊技術”可以給自己累經(jīng)驗，不如直接從“新技術”的起點開始重新崛起。

此外，與其和代工大廠競爭，不如將目標瞄準他們無法覆蓋的小批量訂單，只要能快速進入市場，就能夠與大廠共存，形成互補。并且，有期待這種服務的客戶存在。

3D集成是除了微細化之外提高能效的另一個關鍵。

從日本目前的情況來看，微細化方面，日本已經(jīng)遠遠落后于世界上最先進的技術，需要向海外學習；3D集成方面，日本在3D集成中用到的材料和制造設備的基礎技術方面尚且具有眾多優(yōu)勢。

專用芯片開發(fā)周期長且資金耗費大，如果能制造出可編程自動設計芯片的硅編譯器，或許就能快速開發(fā)硬件。自動設計的性能或許只有80分，但是能將開發(fā)效率提高5倍，也是可以接受的。

2019-2020年，東京大學先后建立了合作中心d.lab和技術研究組織RaaS（先端系統(tǒng)研究組織），意與Rapidus互補，共同將能源效率和開發(fā)效率提高10倍。

能源效率方面，Rapidus 追求微細化，而東京大學追求 3D 集成；開發(fā)效率方面，Rapidus選擇縮短生產(chǎn)周期，而東京大學則研究如何縮短設計周期。

芯片技術的未來將如何發(fā)展？

“摩爾定律已死。”

近年來無數(shù)人對這個芯片發(fā)展的“黃金鐵律”發(fā)出質疑。摩爾定律確實已經(jīng)逼近極限，有些人繼續(xù)向微細化探索，稱之為“深度摩爾”，有些人則開始關注其他方面的新價值，稱之為“超越摩爾”。

作者的選擇是后者。在摩爾定律即將終結之際，他認為不去選擇傳統(tǒng)技術路線上的延伸，而是選擇破壞性的技術并研究如何將其實用化是即將迎來的巨大機遇。

芯片發(fā)展當前的挑戰(zhàn)是性能改進所面臨的限制，當電力，即發(fā)熱達到極限時，無論將電路集成到何種程度，都無法進一步提高性能。每單位電力的處理性能，即電力效率，將決定摩爾定律的命運。

微細化的一個副作用是導致半導體元件的耗電增加。減少電力消耗的策略有三個:?降低電壓，降低電容，以及減少開關次數(shù)。針對上述三個方面，人們對材料、工藝和結構進行了改革。

1）從2D到3D

當數(shù)據(jù)的快速增長撞上馮·諾依曼瓶頸，芯片間的通信成為了能量效率降低的重要因素，因為數(shù)據(jù)的傳輸要比運算消耗更多的能量。

芯片的計算性能每年提高70%多，如果想要充分利用提高的芯片性能，每年芯片間信號傳輸速度要提高44%。但事實上，每年芯片間通信速度只能提高28%。

如何彌補這個缺口？

縮短存儲器和處理器的連接距離，并增加連接數(shù)量，以合理的速度進行信號傳輸。也就是說，通過堆疊芯片進行短距離連接，并利用整個面以適當?shù)乃俣冗M行通信，這就是芯片從2D進化到3D的原因。

硅通孔TSV與磁耦合通信TCI技術，便是在此趨勢下誕生的新技術。

2）從橫向到縱向

3D集成是從內存開始的，首先是堆疊兩塊DRAM的HBM，然后是4塊、8塊、12塊。他們都是平鋪疊放，稱之為煎餅型。

但理論上還有一種堆疊可能。那就是豎立起來堆疊，稱之為切片面包型。

事實上，切片面包型比煎餅型更具優(yōu)勢。首先，散熱更容易；其次，通信更容易。

3）同步設計與異步設計

要提高芯片的性能，需要精細的定時設計。需要計算元件制造差異、電源電壓和溫度變化對邏輯電路的信號傳播延遲的影響，以及計算生成時鐘時的波動和分配時的時差。

現(xiàn)在使用的同步設計的成本和浪費突顯，所以，人們正在重新考慮過往不可用的異步設計。

雖然異步設計比同步設計使用更多的晶體管和布線，但是比起同步設計的浪費，應該還是賺到了。

作者原以為7nm就會實現(xiàn)異步設計，但FinFET技術讓晶體管的性能遠超預期，所以并未實現(xiàn)。由于晶體管的結構改革還在持續(xù)，所以異步設計可能還需一段時間才會得到應用。

1959年，物理學家理查德·費曼提出，“底部還有很大空間”，隨后，微電子學誕生。今天，作者面對即將到極限的摩爾定律，他說，“頂部還有很大發(fā)展空間”，也就是說，讓更多人參與開發(fā)芯片更重要。

目前，只有大公司才能開發(fā)專用芯片，因為一直以來產(chǎn)業(yè)體系都是為了能夠大規(guī)模量產(chǎn)而搭建的，成本績效是半導體行業(yè)最受重視的指標。但現(xiàn)在，“時間績效”也很重要。

首先，社會正在從資本密集型向知識密集型轉變，智慧創(chuàng)造價值，推動了數(shù)字化創(chuàng)新，半導體從成本低廉的零部件變?yōu)閰f(xié)助建設社會的重要工具；其次，半導體已經(jīng)從工業(yè)的基礎設施轉變成了社會的基礎設施。這也就意味著半導體更多進入了機器人、通信等產(chǎn)品，?而這些產(chǎn)品不會被企業(yè)輕易更換。

此外，作者還提到了敏捷開發(fā)、硅編譯器、芯片自動化設計平臺等多種解決方式，都將為芯片開發(fā)，尤其是耗時長、成本高的專用芯片開發(fā)帶來新的可能性。

“不要芯片戰(zhàn)爭”一位日本半導體研究者的心聲

“適者生存?！?/p>

達爾文提出進化論已經(jīng)過去了160多年，而最前沿的科學正在揭示更隱秘的進化機制：支持與合作。

作者曾在某電視節(jié)目中看到了“超進化論”的觀點。

50億年前的地球，陸地是一片荒涼的大地，大約4億年前，植物覆蓋了大地。到了白堊紀，一樣東西的出現(xiàn)，讓陸地生物種類數(shù)量劇增，那就是——花。

花利用花粉吸引昆蟲，然后給予昆蟲花粉，并通過昆蟲散播花粉，也就是說，它們建立了“共生”關系。而在此之前，植物只會單方面被昆蟲捕食。

然后，花與昆蟲開始互相影響，互相因為對方進化，一切開始蓬勃發(fā)展。

這種隱藏在競爭下的共生，更能保持生命的延續(xù)，而這就是半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵。

半導體大廠是一棵樹，比樹更重要的是底下培育生命的土壤，以及由無數(shù)棵大樹聚集而成的森林。

一套半導體制造設備由超過10萬個零部件組成，相比之下，?一輛汽車的零部件大約只有3萬個。并且，每臺設備的10多萬個零部件的清單都不同，供應商也種類繁多。

因此，圍繞半導體，形成了一個具有多層次，跨越多行業(yè)的巨大網(wǎng)絡。此外，半導體制造流程復雜，需要供應商、制造商和用戶隨時互相配合，互相支撐，互相調整，可以說就像是森林的生態(tài)系統(tǒng)一樣。

公眾往往只看到大樹，媒體只關注大公司的興衰。真正支撐大公司的是豐富土壤，也就是工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡的力量，日本在半導體制造設備和材料方面的強大就在于此。
這也是臺積電選擇在日本熊本建廠的原因，熊本是老工業(yè)用地，就有那樣的土壤。

日本半導體產(chǎn)業(yè)一直在致力于培養(yǎng)互幫互助，互相緊密連接的“森林”，現(xiàn)在這種努力正在吸引世界。

伴隨著臺積電熊本新廠而來的，是各種各樣的附屬投資，以及帶動了日本材料和設備的供應商的支持，這棵巨大樹木的出現(xiàn)，讓地下的網(wǎng)絡重新煥發(fā)生機。

因此，作者在第六章《超進化論》中提出，半導體新時代的關鍵詞是：國際合作、國際人才流動、網(wǎng)絡、共生和進化。

早在20年前的2003年，作者便開始為此努力。時任日本慶應大學教授的作者黑田忠廣、韓國KAIST大學教授柳會俊以及清華大學教授王志華便達成共識：未來世界的集成電路行業(yè)的重心將移向亞洲，未來亞洲的青年人將在世界集成電路行業(yè)中起著重要作用。

為此，他們三人共同創(chuàng)辦了一個中日韓三所大學在校研究生參與的、小型閉口式的學術研討會——KKT Workshop，日本慶應大學、韓國KAIST大學以及清華大學每年輪流舉辦一次，現(xiàn)已持續(xù)了20多年。隨著作者轉至東京大學，現(xiàn)慶應大學學生轉為東京大學學生。

“不應該煽動芯片戰(zhàn)爭，應該構建芯片網(wǎng)絡?！弊髡咛岢隽俗约簩τ诎雽w產(chǎn)業(yè)未來的期望。

日本半導體是否能憑借Rapidus“復活”，尚且未知。但“一切終于要開始了”。