财经风云--日本半导体“背水一战”的赌注,都押在这座工厂里

caijing 发布于 2023-9-27 19:11:00

 

 日本半导体“背水一战”的赌注,都押在这座工厂里
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王眉



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,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。

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