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隨著工藝邁向 2nm 節(jié)點(diǎn)制程,晶體管結(jié)構(gòu)由沿用多年的鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)架構(gòu)正逐步被全環(huán)繞柵極場效應(yīng)晶體管(GAAFET)架構(gòu)所取代。
與 FinFET 有所不同,GAAFET 使用柵極材料完全包裹通道,從而帶來更好的電場控制,然而這種架構(gòu)的改變也隨之帶來新的挑戰(zhàn),即如何實(shí)現(xiàn)多閾值電壓讓芯片以較低電壓執(zhí)行復(fù)雜計算。此外,在 2nm 制程下,N 型和 P 型半導(dǎo)體通道之間的距離十分狹窄,需要高度精確的光刻技術(shù)才能在實(shí)現(xiàn)多閾值電壓的同時不會對性能產(chǎn)生影響。
對此,IBM 與一家日本半導(dǎo)體公司 Rapidus 通過在構(gòu)建過程中引入兩種不同的選擇性減少層(SLR)技術(shù)解決了這一難題。在上周的 2024 年 IEEE 國際電子設(shè)備會議上,IBM 展示了雙方合作開發(fā)的“多閾值電壓全環(huán)繞柵極場效應(yīng)晶體管”技術(shù)。
據(jù)稱,這項技術(shù)將在 Rapidus 的 2nm 芯片量產(chǎn)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。“與上一代 FinFET 相比,GAAFET 使用的納米片結(jié)構(gòu)復(fù)雜度更高,雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但與早期方法相比,該技術(shù)將使芯片的生產(chǎn)制造過程更為簡化,從而讓 Rapidus 更容易可靠地大規(guī)模生產(chǎn) 2nm 芯片。”IBM 的一位發(fā)言人表示。
據(jù)了解,Rapidus 公司成立于 2022 年 8 月,由豐田汽車、日本電裝、索尼集團(tuán)、鎧俠、日本電信電話、日本電氣、軟銀以及三菱日聯(lián)銀行 8 家企業(yè)合資成立。在當(dāng)時,Rapidus 公司獲得了 8 家企業(yè)共計 73 億日元投資,以及日本政府提供 700 億日元初始資金。
2022 年 12 月,Rapidus 宣布已經(jīng)與 IBM 建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系,共同研發(fā) 2nm 節(jié)點(diǎn)制程技術(shù);今年 6 月,雙方共同宣布,以聯(lián)合開發(fā) 2nm 節(jié)點(diǎn)制程技術(shù)的現(xiàn)有協(xié)議為基礎(chǔ)確立了 2nm 芯片封裝量產(chǎn)技術(shù)合作伙伴關(guān)系,共同開發(fā) 2nm 制程芯粒(Chiplet)先進(jìn)封裝量產(chǎn)技術(shù)。這意味著 Rapidus 與 IBM 在 2nm 節(jié)點(diǎn)制程領(lǐng)域的合作從前端擴(kuò)展到后端。
明年試產(chǎn) 2nm 芯片,實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還面臨三座大山
在 2024 年日本國際半導(dǎo)體設(shè)備及材料展覽會上,Rapidus 公司董事長 Tetsuro Higashi 聲稱對公司 2nm 節(jié)點(diǎn)制程的試產(chǎn)線充滿信心。
他透露,“Rapidus 的 EUV 光刻設(shè)備將于本月交貨給工廠,此外還有 200 余臺設(shè)備陸續(xù)交貨。所有設(shè)備 2025 年 3 月底前到位,啟動生產(chǎn) 2nm 芯片試產(chǎn)線。”
據(jù)了解,Rapidus 位于北海道千歲市的第一座 2nm 芯片工廠已于 2023 年 9 月動工。根據(jù)公司規(guī)劃,明年 3 月底將完成試產(chǎn) 2nm 芯片所需的全部設(shè)備設(shè)置工作;4 月啟動試產(chǎn)線開始生產(chǎn) 2nm 芯片;待完成試產(chǎn)后,目標(biāo)則是在 2027 年 4 月實(shí)現(xiàn) 2nm 芯片的規(guī)模化量產(chǎn)。
近期,據(jù)日經(jīng)新聞報道,Rapidus 公司董事長 Tetsuro Higashi 在接受采訪時稱,“實(shí)現(xiàn)生產(chǎn) 2nm 芯片的目標(biāo)需要克服三個方面的挑戰(zhàn),量產(chǎn)技術(shù)可行性、市場和客戶定位,以及資金問題,尤其是嚴(yán)重依賴日本政府的資源。”
具體而言,在量產(chǎn)技術(shù)可行性方面,由于日本制造商 40nm 以上的工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模量產(chǎn),Rapidus 選擇跳過中間工藝,直接追求 2nm 工藝被視為一種“魯莽的嘗試”。
但在 Tetsuro Higashi 看來,“由于半導(dǎo)體設(shè)備制造商長期以來一直參與先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù),而 Rapidus 正在與 IBM 等合作,整合技術(shù)和經(jīng)驗,因此有信心實(shí)現(xiàn) 2nm 芯片的量產(chǎn)。”
需要注意的是,5nm 以下的制程工藝離不開 EUV 光刻機(jī),不論研發(fā)還是制造都需要從全球唯一供應(yīng)商 ASML 購買 EUV 光刻機(jī)。
在市場和客戶定位方面,從成立之初,Rapidus 就將自身定位為“臺積電的替代供應(yīng)商”,旨在通過創(chuàng)建專用半導(dǎo)體市場來實(shí)現(xiàn)差異化,這與擅長生產(chǎn)大規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的大公司不同。
在 2024 年日本國際半導(dǎo)體設(shè)備及材料展覽會期間,Tetsuro Higashi 稱“標(biāo)準(zhǔn)芯片浪費(fèi)過多能源”,并表示“半導(dǎo)體產(chǎn)品應(yīng)該從標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品轉(zhuǎn)向為特定應(yīng)用(比如機(jī)器人、自動駕駛和遠(yuǎn)程醫(yī)療)量身定制的專用芯片。通過技術(shù)創(chuàng)新,未來的半導(dǎo)體產(chǎn)品可以將能耗降低到目前水平的五分之一。”
他還預(yù)計,“生成式 AI 市場將轉(zhuǎn)向針對各種算法優(yōu)化的專用芯片,從而導(dǎo)致市場環(huán)境發(fā)生巨大變化。”
在資金方面,由于私人投資者認(rèn)為 Rapidus 實(shí)際生產(chǎn)先進(jìn)芯片的能力存在較高的風(fēng)險,該公司目前嚴(yán)重依賴日本政府的財政支持。
為了實(shí)現(xiàn) 2027 年量產(chǎn) 2nm 芯片的目標(biāo),Rapidus 預(yù)計將需要 5 萬億日元(約合 320 億美元)的資金。目前,該公司的主要資金來源是連續(xù)三個財年政府提供的 9200 億日元補(bǔ)助金,然而這一數(shù)字距離 5 萬億日元還存在較大資金缺口。
日本首相等官員曾多次強(qiáng)調(diào),政府計劃在 2030 財年前撥款 10 萬億日元支持半導(dǎo)體和 AI 產(chǎn)業(yè)發(fā)展,以刺激民間投資,其中對 Rapidus 的支持是這一政策的重點(diǎn)。
然而,如果 Rapidus 繼續(xù)完全依賴政府支持,其可能會成為一家國有企業(yè)。日本業(yè)界和媒體擔(dān)心國有半導(dǎo)體公司可能成為成本高昂、效益有限的企業(yè)。對此,Tetsuro Higashi 強(qiáng)調(diào),“雖然 Rapidus 目前主要依賴政府支持,但最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)獨(dú)立。”
未來幾年,Rapidus 的目標(biāo)是增加私人資金的比例,尋求通過銀行貸款或私人股東增資的方式為工廠建設(shè)提供資金,目標(biāo)是讓約一半的設(shè)備投資來自私人股東。
今年以來,日本政府加大了對 Rapidus 的支持力度。據(jù)日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的計劃案顯示,日本政府計劃在 2025 年度對 Rapidus 投資 2000 億日元。
當(dāng)然,不同于此前的“補(bǔ)助金”,投資能讓日本政府以出資者的立場加強(qiáng)對運(yùn)營的參與和監(jiān)督,從而更易于發(fā)揮治理功能;此外,計劃案還提到,日本政府計劃在 2027 年 10 月對 Rapidus 進(jìn)行“實(shí)物出資”,使用政府資金興建的工廠、設(shè)備等資產(chǎn)與公司股票進(jìn)行交換。
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