日本Rapidus将于2027年开始建设1.4纳米制程的晶圆厂

日本芯片制造商Rapidus正在北海道千岁市的雪地上押下一场价值超过120亿美元的豪赌。这家成立仅三年的初创公司宣布,将于2027财年开始建设1.4纳米制程晶圆厂,预计2029年投产,而其首座2纳米工厂甚至还未实现量产。

这一激进的扩张计划背后,是日本政府倾力支持的半导体产业复兴战略——通过大规模财政注入、集结国内顶尖企业和引入IBM技术合作,试图让日本在失落三十年后重返全球芯片制造的核心舞台。

但在台积电已经以60%良率开始2纳米试产、英特尔宣布18A制程量产、三星苦战良率爬坡的现实图景中,Rapidus面临的不仅是技术鸿沟,更是时间窗口快速关闭的残酷竞争。这家日本芯片国家队的雄心壮志,究竟是产业复兴的曙光,还是一次代价高昂的战略冒险?

Rapidus的诞生本身就是一个国家战略行为。2022年8月,在日本经济产业省的主导下,丰田、索尼、NTT、软银、电装、KIOXIA、NEC和三菱UFJ银行等八家日本龙头企业共同出资73亿日元成立了这家公司,明确目标是开发2纳米世代逻辑半导体。这个成立时间恰好处于全球芯片短缺危机的高峰期,当时美国、欧洲和中国都在加大本土半导体产能投资,而日本在全球芯片制造中的份额已从1990年的约50%跌至不到10%,其中先进逻辑芯片制造能力几乎为零。日本政府意识到,在人工智能、自动驾驶、物联网等战略新兴产业中,先进芯片是不可或缺的基础设施,过度依赖海外供应链存在巨大的经济和安全风险。

Rapidus获得的政府支持力度前所未有。日本政府已经承诺提供至少1.7万亿日元约合110亿美元的资金支持,并且这个数字还在增长。2024年11月,日本政府在新的经济刺激计划中预留了数千亿日元用于半导体投资,其中相当一部分将流向Rapidus。这种规模的政府投入在日本战后产业政策中极为罕见,显示出日本政府对这一项目的战略重视程度。相比之下,台积电在美国亚利桑那州的晶圆厂获得了约66亿美元的美国芯片法案补贴,英特尔获得约85亿美元,Rapidus的政府支持强度可见一斑。

但资金充裕不等于技术就绪。Rapidus的技术路线图极其激进:2025年4月在千岁IIM-1试验工厂启动2纳米制程试产,2027财年下半年开始大规模量产,然后在2纳米尚未完全成熟的情况下,就开始建设1.4纳米工厂,计划2029年投产。对于一家从零起步、没有任何先进制程量产经验的公司来说,这个时间表几乎是不可能完成的任务。作为对比,台积电从7纳米到5纳米花了约三年,从5纳米到3纳米又花了约三年,而它已经是全球技术最成熟、经验最丰富的芯片制造商。三星在3纳米GAA技术上虽然比台积电更早宣布量产,但至今仍在良率爬坡阶段苦苦挣扎,2024年第一季度其3纳米良率还不到20%,远低于经济生产所需的70%以上水平。

Rapidus的技术基础主要来自与IBM的合作。IBM在2021年率先展示了2纳米GAA纳米片晶体管技术,但IBM本身并不生产芯片,它将这项技术授权给Rapidus。2023年以来,IBM向Rapidus位于千岁的工厂派驻了约10名工程师提供技术支持,并允许Rapidus的研究人员进入位于纽约奥尔巴尼的IBM半导体研究中心进行技术研发。此外,Rapidus还与比利时微电子研究中心imec合作,学习先进芯片生产所需的关键工艺。但从实验室技术到大规模量产之间存在巨大鸿沟。GAA晶体管结构比传统FinFET更复杂,制造难度呈指数级增长,涉及数百道工艺步骤,每一步都可能产生缺陷,影响最终良率。

制程良率是半导体制造中最关键的指标之一。所谓良率,是指一批晶圆中能够通过测试、达到性能规格的芯片占总芯片数的百分比。在先进制程中,初期良率往往只有30%甚至更低,意味着超过三分之二的芯片报废,单位芯片成本极高。只有当良率爬升到70%以上时,才能实现经济上可持续的量产。良率爬坡是一个漫长、复杂、需要大量经验积累的过程,涉及无数次工艺参数的微调、缺陷源的识别和消除、设备稳定性的优化。台积电在3纳米制程上积累了200万片晶圆的量产经验,但仍然花了约18个月才将2纳米工艺开发周期优化到位,良率用9个月从30%提升到60%。对于Rapidus这样一家没有任何先进制程量产经验的新公司,良率爬坡的挑战将更加严峻。

工艺节点每缩小一代,技术难度不是线性增加而是指数级增长。根据市场研究机构Yole的统计,工艺节点每缩减一代,工艺中产生的致命缺陷数量会显著增加,对量检测设备的精度要求也呈几何级提升。在2纳米节点,晶体管栅极长度已经缩小到纳米级,任何微小的工艺波动都可能导致性能下降或功能失效。光刻工艺使用的极紫外光EUV波长仅13.5纳米,需要在近乎真空的环境中操作,任何微粒污染都是致命的。薄膜沉积的厚度控制精度要达到原子层级,刻蚀的深宽比可能超过100:1,化学机械抛光需要在晶圆表面实现纳米级平坦度。这些工艺的掌握不仅需要尖端设备,更需要长期的经验积累和持续的工艺优化。