日本半導(dǎo)體之集大成者Rapidus，加入2nm之戰(zhàn)
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世界上只有三家公司能夠以令人難以置信的精度大規(guī)模生產(chǎn)最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)芯片。上個(gè)月，日本的一家初創(chuàng)公司邁出了成為第四家公司的第一步。4月 1 日， Rapidus達(dá)到了一個(gè)關(guān)鍵的里程碑，它使用與IBM 合作開發(fā)的配方（基于后者的納米片晶體管結(jié)構(gòu)）啟動(dòng)并測試了其 2 納米節(jié)點(diǎn)芯片試驗(yàn)線。Rapidus告訴IEEE Spectrum，其位于千歲的新晶圓廠安裝的 200 多臺(tái)尖端設(shè)備現(xiàn)已準(zhǔn)備就緒，可以投入運(yùn)行，其中包括關(guān)鍵設(shè)備——價(jià)值3 億多美元的最先進(jìn)的極紫外( EUV )光刻系統(tǒng)。
“我們于2023年9月破土動(dòng)工，”Rapidus Design Solutions總裁亨利·理查德（Henri Richard）表示。該公司于去年4月在硅谷圣克拉拉成立，負(fù)責(zé)美國業(yè)務(wù)發(fā)展。 “令人驚訝的是，在2025年第二季度初，我們就完成了EUV光刻系統(tǒng)的首次曝光，現(xiàn)在已準(zhǔn)備好開始試生產(chǎn)?！?/span>
關(guān)于 Rapidus 何時(shí)會(huì)推出首批測試芯片，Rapidus 首席執(zhí)行官 Atsuyoshi Koike在 4 月份接受《日本時(shí)報(bào)》采訪時(shí)表示：“原型芯片可能會(huì)在 7 月份生產(chǎn)?！痹摴驹谝环莨韭暶髦谐吻辶嗣襟w關(guān)于與客戶談判的報(bào)道，并表示正在“與許多潛在客戶，從大型成熟企業(yè)到人工智能初創(chuàng)公司”進(jìn)行洽談。
Rapidus 成立于 2020 年 8 月，由八家日本國內(nèi)公司組成的財(cái)團(tuán)支持：Denso、Kioxia、MUFJ Bank、NEC、NTT、Softbank、Sony和Toyota 。但事實(shí)證明，作為振興該國先進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的努力的一部分，中央政府的支持更為重要。日本的支持是出于對(duì)國家安全的擔(dān)憂，因?yàn)樵搰诩舛诵酒矫嬉蕾嚳赡艽嬖诖嗳醯暮Ｍ夤?yīng)商。 （出于同樣的原因，美國也采取行動(dòng)減少對(duì)日本的依賴。）迄今為止，政府補(bǔ)貼總額為 1.72 萬億日元（120 億美元）。然而，八位創(chuàng)始人的股權(quán)投資仍然僅為 73 億日元（5100 萬美元），這引發(fā)了人們對(duì) Rapidus 未來的擔(dān)憂。這家新代工廠估計(jì)，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)目標(biāo)將需要約 5 萬億日元（350 億美元） 。
然而，Rapidus 的處境與如今業(yè)界最大的芯片制造商臺(tái)灣 半導(dǎo)體制造股份有限公司 ( TSMC ) 在 20 世紀(jì) 90 年代成立時(shí)的情況并無二致。早稻田大學(xué)商業(yè)與金融研究生院的Atsushi Osanai教授指出，當(dāng)時(shí)與日本一樣，臺(tái)灣政府支持這家初創(chuàng)企業(yè)，而私營企業(yè)“最初并不熱衷” 。“同樣，日本私營企業(yè)對(duì) Rapidus 也采取了觀望態(tài)度。關(guān)鍵因素在于政府是否會(huì)為 Rapidus 提供足夠的支持，以激勵(lì)私營部門。”
Rapidus 的起步速度很快，但其 2027 年的 2 納米出貨日期可能比業(yè)內(nèi)三大尖端硅片生產(chǎn)商臺(tái)積電、英特爾和三星落后兩年，據(jù)報(bào)道，這三家公司可能會(huì)在今年下半年開始大規(guī)模生產(chǎn) 2 納米芯片。
為了迎頭趕上并參與競爭，Rapidus 采取了與三大制造商青睞的大規(guī)模晶圓生產(chǎn)模式不同的策略。以臺(tái)積電為例，他們的商業(yè)模式專注于處理大批量晶圓，用于生產(chǎn) GPU和 CPU 等大量設(shè)備，并保持高良率，同時(shí)依賴于只能逐步改進(jìn)的僵化加工方法。相比之下，Rapidus 將使用單晶圓工藝來生產(chǎn)針對(duì)特定應(yīng)用的專用芯片、針對(duì)利基市場的定制芯片，以及后期的大批量訂單。
顧名思義，單晶圓方法單獨(dú)處理每個(gè)晶圓，而不是批量處理。盡管許多晶圓可以同時(shí)通過生產(chǎn)線，但每個(gè)晶圓在流程的每個(gè)階段都是單獨(dú)處理的。Rapidus 還將應(yīng)用一種新開發(fā)的方案，稱為設(shè)計(jì)制造協(xié)同優(yōu)化 (DMCO)。該公司聲稱，這將通過將設(shè)計(jì)與制造聯(lián)系起來來促進(jìn)設(shè)計(jì)，這還可以幫助抵消因取消批處理而導(dǎo)致的吞吐量下降。通過使用 AI 優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，DMCO 旨在提高設(shè)計(jì)速度和產(chǎn)量。這需要在設(shè)備內(nèi)部廣泛使用傳感器來測量溫度、氣體密度和反應(yīng)速率等參數(shù)，以收集大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)供 AI 分析。
“這將使我們能夠測量單個(gè)晶圓的加工過程，從結(jié)果中學(xué)習(xí)，并快速將數(shù)據(jù)反饋回系統(tǒng)，”Richard解釋說?！盀榱颂岣弋a(chǎn)量，必須不斷調(diào)整參數(shù)，而這些變化取決于加工過程中獲取的數(shù)據(jù)?！?/span>
此外，他補(bǔ)充說，該晶圓廠正在使用“革命性的網(wǎng)格傳輸系統(tǒng)，使我們能夠在處理過程中將晶圓移動(dòng)到任何位置，從而避免在采用線性傳輸系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)晶圓廠中機(jī)器發(fā)生故障或出現(xiàn)問題時(shí)發(fā)生的交通堵塞?！?/span>
東京大學(xué)工程學(xué)教授黑田忠宏表示：“從制造過程中獲取大量數(shù)據(jù)并將其反饋回系統(tǒng)，以更快地提高良率，這將縮短Rapidus客戶的上市時(shí)間?！焙谔镏液暝跂|芝公司半導(dǎo)體部門工作18年，之后轉(zhuǎn)入學(xué)術(shù)界?！斑@是半導(dǎo)體制造業(yè)的理想方案，意義非凡?！?/span>
然而，由于Rapidus依賴大量新技術(shù)，它可能會(huì)遇到初期問題，這可能會(huì)延長其批量交付產(chǎn)品的時(shí)間。與此同時(shí)，競爭對(duì)手也迫不及待地想趕上它。今年4月，臺(tái)積電發(fā)布了其下一代A14工藝（相當(dāng)于1.4納米節(jié)點(diǎn)芯片），并計(jì)劃“于2028年投入生產(chǎn)”。
“從技術(shù)上講，Rapidus 的成功取決于 2027 年量產(chǎn)的半導(dǎo)體原型開發(fā)能否順利推進(jìn)，”O(jiān)sanai 說道?！坝捎谥挥袃赡甑臅r(shí)間來實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這對(duì)公司的成功至關(guān)重要?！?/span>
其他專家則持更為樂觀的看法。黑田表示，鑒于人工智能應(yīng)用和新興人工智能數(shù)據(jù)中心預(yù)計(jì)將出現(xiàn)巨大增長，以及隨之而來的功耗飆升，“對(duì)2納米芯片的需求將非常巨大”，因?yàn)榕c當(dāng)今尖端硅片相比，這些半導(dǎo)體有望將功耗降低30%以上?！耙虼?，預(yù)計(jì)對(duì)人工智能相關(guān)半導(dǎo)體的需求將超過現(xiàn)有代工廠的產(chǎn)能?！?/span>
如果后一種觀點(diǎn)成立，并且 Rapidus 能夠按時(shí)實(shí)現(xiàn)其量產(chǎn)目標(biāo)，那么這項(xiàng)由政府支持的、旨在讓日本重新成為先進(jìn)芯片制造業(yè)強(qiáng)國的努力可能會(huì)成為一場成功的賭注，而不是一場魯莽的賭博。
