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日本為什么著急重振半導(dǎo)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(jié)，芯片技術(shù)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(dǎo)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(dǎo)體，想到的總是那么些關(guān)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(dǎo)體，在最近兩年異常活躍。最矚目的就是8家日本領(lǐng)先企業(yè)聯(lián)合成立的半導(dǎo)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(dǎo)體復(fù)興。
今年，克里斯·米勒的《芯片戰(zhàn)爭》成為了半導(dǎo)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(dǎo)體超進化論》。
作者黑田忠廣是東京大學(xué)研究生院電氣工程和系統(tǒng)科學(xué)系教授，曾就職于東芝、慶應(yīng)大學(xué)以及加州大學(xué)伯克利分校，現(xiàn)為東京大學(xué)教授，是日本半導(dǎo)體復(fù)興計劃的關(guān)鍵人物，有媒體稱其為3D堆疊技術(shù)第一人。
日本復(fù)興半導(dǎo)體：直沖2nm
日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)幾乎休眠30年，在芯片制造技術(shù)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(shù)，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(dǎo)體市場預(yù)計將以每年 8%?的速度快速增長，到 2030?年，市值規(guī)模可能達到目前的兩倍，市場總值將超過100萬億日元。日本半導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的復(fù)興上。
日本的半導(dǎo)體復(fù)興需要什么？
僅靠固有的策略很難挽回失去的 30?年，預(yù)見競爭舞臺并提前投資成為了關(guān)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(zhuǎn)向?qū)Ｓ眯酒?/strong>。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(fù)雜化，能源危機正在加?。籄I 的出現(xiàn)將用電效率提高10倍以上；半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分工化，企業(yè)可以根據(jù)自己的業(yè)務(wù)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(dǎo)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(luò)空間和物理空間高度融合，也就是利用“數(shù)字孿生”技術(shù)來創(chuàng)造以人為中心的社會，也就是“社會 5.0”。
第三，技術(shù)的范式轉(zhuǎn)變。一種是從馮·諾依曼架構(gòu)轉(zhuǎn)向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，另一種是從微細化轉(zhuǎn)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(zhì)都是能源問題，能源消耗的急劇增長是由半導(dǎo)體引起，因此解決這個問題的關(guān)鍵也在半導(dǎo)體，就是要提高半導(dǎo)體能源效率。
提高能源效率的關(guān)鍵，作者提出了兩點：微細化技術(shù)和3D集成。
微細化方面的行動代表就是Rapidus。比起臺積電“應(yīng)有盡有”的產(chǎn)線，Rapidus只在短時間內(nèi)，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(shù)。
就算在日本業(yè)內(nèi)，也有很多人質(zhì)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(shù)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(shù)。
過去，即便是最先進的技術(shù)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(shù)，而不是5nm和3nm的FinFET技術(shù)，與其期待“舊技術(shù)”可以給自己累經(jīng)驗，不如直接從“新技術(shù)”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(wù)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(guān)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(shù)，需要向海外學(xué)習(xí)；3D集成方面，日本在3D集成中用到的材料和制造設(shè)備的基礎(chǔ)技術(shù)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(shè)計芯片的硅編譯器，或許就能快速開發(fā)硬件。自動設(shè)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(xué)先后建立了合作中心d.lab和技術(shù)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(xué)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(xué)則研究如何縮短設(shè)計周期。
芯片技術(shù)的未來將如何發(fā)展？
“摩爾定律已死?！?/strong>
近年來無數(shù)人對這個芯片發(fā)展的“黃金鐵律”發(fā)出質(zhì)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(guān)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(jié)之際，他認為不去選擇傳統(tǒng)技術(shù)路線上的延伸，而是選擇破壞性的技術(shù)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(dǎo)致半導(dǎo)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(guān)次數(shù)。針對上述三個方面，人們對材料、工藝和結(jié)構(gòu)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(shù)，便是在此趨勢下誕生的新技術(shù)。
2）從橫向到縱向
3D集成是從內(nèi)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(shè)計與異步設(shè)計
要提高芯片的性能，需要精細的定時設(shè)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(shè)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(shè)計。
雖然異步設(shè)計比同步設(shè)計使用更多的晶體管和布線，但是比起同步設(shè)計的浪費，應(yīng)該還是賺到了。
作者原以為7nm就會實現(xiàn)異步設(shè)計，但FinFET技術(shù)讓晶體管的性能遠超預(yù)期，所以并未實現(xiàn)。由于晶體管的結(jié)構(gòu)改革還在持續(xù)，所以異步設(shè)計可能還需一段時間才會得到應(yīng)用。
1959年，物理學(xué)家理查德·費曼提出，“底部還有很大空間”，隨后，微電子學(xué)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(dǎo)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(zhuǎn)變，智慧創(chuàng)造價值，推動了數(shù)字化創(chuàng)新，半導(dǎo)體從成本低廉的零部件變?yōu)閰f(xié)助建設(shè)社會的重要工具；其次，半導(dǎo)體已經(jīng)從工業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)變成了社會的基礎(chǔ)設(shè)施。這也就意味著半導(dǎo)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(shè)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(dǎo)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(xué)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?xùn)|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(guān)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。
半導(dǎo)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(dǎo)體制造設(shè)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(shè)備的10多萬個零部件的清單都不同，供應(yīng)商也種類繁多。
因此，圍繞半導(dǎo)體，形成了一個具有多層次，跨越多行業(yè)的巨大網(wǎng)絡(luò)。此外，半導(dǎo)體制造流程復(fù)雜，需要供應(yīng)商、制造商和用戶隨時互相配合，互相支撐，互相調(diào)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(guān)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(luò)的力量，日本在半導(dǎo)體制造設(shè)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(dǎo)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(shè)備的供應(yīng)商的支持，這棵巨大樹木的出現(xiàn)，讓地下的網(wǎng)絡(luò)重新煥發(fā)生機。
因此，作者在第六章《超進化論》中提出，半導(dǎo)體新時代的關(guān)鍵詞是：國際合作、國際人才流動、網(wǎng)絡(luò)、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(yīng)大學(xué)教授的作者黑田忠廣、韓國KAIST大學(xué)教授柳會俊以及清華大學(xué)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?nèi)斯餐瑒?chuàng)辦了一個中日韓三所大學(xué)在校研究生參與的、小型閉口式的學(xué)術(shù)研討會——KKT Workshop，日本慶應(yīng)大學(xué)、韓國KAIST大學(xué)以及清華大學(xué)每年輪流舉辦一次，現(xiàn)已持續(xù)了20多年。隨著作者轉(zhuǎn)至東京大學(xué)，現(xiàn)慶應(yīng)大學(xué)學(xué)生轉(zhuǎn)為東京大學(xué)學(xué)生。
“不應(yīng)該煽動芯片戰(zhàn)爭，應(yīng)該構(gòu)建芯片網(wǎng)絡(luò)。”作者提出了自己對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來的期望。
日本半導(dǎo)體是否能憑借Rapidus“復(fù)活”，尚且未知。但“一切終于要開始了”。
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