日本發展先進半導體製造的挑戰

 
日本的半導體產業還遠不到需要文藝復興的程度，中世記的黑暗從未來過。在上游的半導體材料市場日本仍佔近一半，處於絶對宰制的地位；機器設備市場也佔3分之1左右，仍然有很強的話語權。在NAND Flash、功率元件、車用半導體等元件領域均名列前茅，CIS亦如半導體材料一樣，撐起半邊天。 
 
即使是日本自己認為積弱的半導體製造，也只是停滯在40奈米。當年只因為研發的規模不夠，所以停滯不前。如今事隔多年，想要重新推動鄰接世代技術比當年要簡單多了。

但是日本志在先進製程。 
 
肩負重振日本半導體先進製造重任的是Rapidus。Rapidus會長東哲郎曾說Rapidus面臨3個挑戰， 

 
東哲郎還說他當初也考慮過發展成熟製程，他講的成熟製程大概是7~28奈米之間的製程。他的顧慮是既存公司的設備大概已折舊殆盡，Rapidus以一個新進者使用新設備、高折舊費會讓競爭增加難度。 
 
這個理由其實沒有那麼決定性，卻恰巧幸運的避開自2018年中美貿易戰後中國廠商對於半導體製程設備的連續防禦性備貨採購。這些積累的設備採購當然會轉變成產能。到了2027年時，預計中國的成熟製程產能會佔全世界的一半。而成熟製程市場的紅海其實早已開始了，看看各成熟製程代工廠的稼動率雖然維持高檔，而利潤率都逐漸下滑即可知曉。這是一個Rapidus幸運的正確抉擇。 
 
東哲郎認為Rapidus主要的挑戰有三：技術是否能真正量產、客戶與市場定位以及籌資問題。在我來看，問題還可以再簡化。第一個是是否可以研發出2奈米製程的原型（prototype）?以日本過去的積累以及科技的實力，我認為答案是肯定的，只是時間長短的問題。但是能否進入量產，有經驗的問題，也有客戶的問題。 
 
Rapidus的合作夥伴多是比較像研究機構的單位，像IBM、Imec、Leti等。譬如IBM最後的量產技術節點22奈米 SOI都是近10年以前的事了。之後在量產技術發生的重大變化包括AI、與先進封裝的整合等大概率是有知識、沒實務經驗的。這一點會讓量產的過程走得比較艱辛。 
 
量產的過程需要有適合的產品來驗証製程，這個條件的成就，和顧戶與公司的定位有關。 
 
從時間的縱深以及產業的格局來看，Rapidus的挑戰還有2個，一個是重新切入半導體先進製造的時間，一個是規模經濟，而這二者是相互關連的。 
 
Rapidus從2奈米做起，這已相當接近摩爾定律的後段；想一想，矽的共價鍵長度不過也只0.234奈米，2奈米的長度也不過只是8個矽共價鍵長。雖然現在因為電晶體有3D結構，技術節點的命名並不真的代表臨界尺度（critical dimension），但是製程的進展已不能用簡單的微縮（shrinking）二字來形容。 
 
從14奈米的FinFET，製程從平面變得立體；3奈米後，製程變成GAA nanosheet；A71下可能會改採CFET；A3以下有可能採取2D FET。 
 
這些製程的推進與以前製程演進式的微縮大不相同。每一次新製程的元件都在電晶體結構、甚至在材料上有突變式的變遷。更要命的是這些變遷往往只能支撐個2、3個世代。 
 
2、3個世代就要量子式躍遷的製程推進，意味著龐大的研究經費以及快速的研發經費攤提。這一切都需要從營業利得去找回，這也看出規模經濟的必要性。 
 
然後東哲郎的另外2個挑戰就自然浮現了。 
 
Rapidus的原始資金73億日圓由8家商社分攤。從2022年以來迄今日本政府投入近1兆日圓，原始資金與之相較顯得微不足道，但這只是就到2027年每月量產25,000片的花費。之後的擴張產能以及下世代製程的研發—如果是一家正常的資本主義商業公司—要從自己的盈餘中去投入、或另行募資。 
 
照半導體產業過去的經驗，一家公司的營業額若佔全世界市場15%以上，就有能力做持續的、獨立的先進製程研發。這也解釋為什麼許多代工業者都策略性的止步於14奈米。上述的15%是在過往製程以微縮方式發展的年代的數據，對於現在快速變遷的先進製程，市佔率可能要更高一些，才可能攢夠錢做下世代製程研發。 
 
製程研發所需要規模經濟讓Rapidus在市場定位上陷入兩難：如果維持較小營運規模，的確可以依靠利基市場存活，但是無法積存足夠盈餘持續做下世代製程研發；如果要擴大市佔率，勢必要進入主流市場及製程，無可避免的要與壟斷市場的寡頭直接交火。對於一家新創，這樣的自我定位可不妙。 
 
所以Rapidus遇到的3個挑戰其實只是日本選擇在最困難的時間重回半導體製造環節：製程量子躍遷、產業近乎壟斷。如果在65、40奈米的時節重返，日子可能好些，但是歷史沒有如果。 
 
所幸也因為晶圓製造環節製程發展困難，半導體產業創造價值的重擔有一部分逐漸由先進封裝肩挑起來，而先進封裝是日本過去的強項之一，這也許是機會之一。