日本2nm将量产？恐难如愿！

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日本新创半导体公司Rapidus 近期似乎有很大进展，《Nikkei Asia》报导该公司将于今年4 月试产，并计划在6 月就可产出2 纳米的芯片产品原型。

尽管已有愈来愈多媒体探讨Rapidus会不会成功，不过，笔者认为，这件事有需要更深入的探究与说明，厘清某些疑惑之处，以对Rapidus的未来可能发展有更多理解。

Rapidus 可能高估2 纳米芯片原型成功机率，初期挑战高

Rapidus需留意实验室成果的局限性。IBM华生研究中心（Thomas J. Watson Research Center） 是一间享负盛名的研究单位，过往叱咤风云，有着极为辉煌的历史，不管是在物理、数学、半导体、程式语言、超级电脑等等领域，都为人类社会带来卓越且巨大的贡献。在半导体领域，IBM原本有自己的晶圆厂，后来于2014年10月卖给格罗方德（GlobalFoundries），但IBM保留了半导体领域的研究，且走在现今时代的科技尖端。

Rapidus必须留意是，在最新的“环绕闸极（gate-all-around；GAA） 半导体制程架构”上，IBM目前仅是实验室成果。虽然，Rapidus另外还跟具有半导体深厚实力的比利时imec结盟，但imec依然是研究机构，二者都较无量产的实质经验。

依笔者先前在工研院的研发经验显示，通常实验室成果有其局限性，距离可实际量产尚有一段不短的路要走。因而，IBM与imec技术能否可确实实现商业化，需后续进一步观察，而这应该也是Rapidus最大的挑战之一。

虽然已有领导厂商投入GAA尖端制程，但目前的半导体主流依然是鳍式场效晶体管（Fin Field-Effect Transistor；FinFET） 架构。除了台积电、三星与Intel 三家半导体大厂外，台湾联华电子、美国格罗方德、中国中芯半导体等都是将FinFET制程架构运用的极为成熟且极有经验的公司，这是它们重要的营收来源，可依此支持这些企业正常运转。其中，联电与格罗方德有能力量产14纳米，而中芯更有能力量产7纳米芯片。但是，因考量到庞大的资本支出、高度的研发风险、所需的优秀科技人才以及其他复杂因素，有的公司并不敢贸然投入、有的公司则是受到限制而无法投入GAA制程架构。

而Rapidus选择投入GAA架构应该是基于以下主要原因：

它是下一代半导体技术，技术相对于FinFET能够提供更好的效能和能效表现，因而极可能成为未来的主流，特别是在人工智能（artificial intelligence；AI） 和高效能运算（high performance computing；HPC） 领域。

因台积电已在日本设立一家采成熟制程的制造厂，若要取得政府的高额补助，只有投入尖端制程才更有机会。

在资源极为有限的状况下，投入未来主流的GAA技术，不仅可节省在旧技术上的研发资源，并且能将焦点集中在最前端技术上。

虽然Rapidus跳过FinFET制程架构，是一种策略选择，也是个见仁见智的问题；但这决策却正好闪避了近期以来成熟制程过度激烈竞争的问题，而这问题日后只会更加严峻，不易缓解。然而，若不计入台积电，目前日本的半导体制程技术暂时停留在40纳米，一下子要跳

跃至2纳米做出产品原型，有可能做到吗？

笔者认为，虽然不是完全没有任何成功机会，但这对成立仅仅2.5年的Rapidus来说，是一项极大的考验。因而，倘若Rapidus真能在2025 年4月试产，且6月就产出符合高品质且高效能的芯片产品原型，可说在那仅有的微小机率里，Rapidus正在创造第一步奇迹。

Rapidus 可能低估2 纳米量产难度

2纳米技术节点无法轻易达成，要规模量产并非想像中容易。

2纳米节点须采用全新的GAA制程架构，与FinFET架构相比较，其技术架构更为复杂，在制造过程可能面临精细度不容易掌握、材料缺陷、散热不易、漏电流改善不佳、材料与其介面等问题，因而研发风险更高，所需资金更多。在如此细微的尺度里要解决这些难题，其困难度极高，并非想像中容易。

以跨入GAA制程技术的三家半导体大厂为例：

• 三星电子陷入了技术困境，在良率上尚无法有效突破。

• 在GAA有优良研究成果的英特尔（Intel），目前因种种复杂因素，面临有史以来最糟糕的经营困境，也尚未生产出实际的2纳米芯片产品。

• 台积电也经过多年辛勤努力后，预定在今年下半年以后顺利量产。

由上述说明可知，若仅以三星电子为例，它投入了无数资金、庞大资源与优秀人才，即便深耕GAA技术多年，依然深受良率不佳所困扰，导致其刚推出的年度旗舰新机Galaxy S25系列处理器，首度全数采用高通最新的骁龙8 Elite芯片，而这些高通芯片全数皆交由台积电生产供应。足见GAA困难度之高，不容易在短期内有效攻克。

在生产芯片过程需要相当多的贵重与精准设备，其中的关键之一是EUV曝光机。当制程技术进入到7纳米以下时，往往需要采用EUV曝光机方能提高营运效能。EUV制程的核心是雷射光学系统（laser optic system），其主要的组成部件由ASML、蔡司（ZEISS）、TRUMPF和Fraunhofer IOF共同研发，在经历重重的艰难挑战后，它最终被开发出来，并能产生光波波长为13.5 纳米的EUV，有了EUV技术就可以在指甲大小的表面上制作出超过一百亿个晶体管。

事实上，这过程极为复杂。除了要收集到足以曝光微小线路的微弱EUV外，曝光过程也需要极高的精准度和稳定性。此外，虽然其变化极为细微，但EUV产生的热气会微微改变反射镜尺寸而失准。尽管这些对位工作可经由设备里的机制来自动校准，但为了确保系统正常与稳定运转、避免不确定因素的影响，工程师需在出现异常时快速进行处理。

尽管ASML会培训客户如何使用设备，提供一周7天、每天24小时的支援服务替客户解决疑难问题，同时安排工程师定期到客户的工厂检查机台设备。但依笔者过往操作其他贵重仪器与设备的经验显示，除了正规的完整系统性训练外，这也相当仰赖个别工程师的内隐知识与细腻经验，它需要时间去感知揣摩与调整，以提高设备使用效能，并逐步降低营运成本。

半导体整个系列制程极其复杂，EUV曝光机仅是其中一个重要环节，这说明若想要达到符合标准的高良率，是相当大的挑战。连半导体三大厂要突破与量产2纳米技术，都得面对高度的困难与挑战，Rapidus当然也不会例外。

因而，若Rapidus真能在2年后如期量产，那它可说是创造了第二步奇迹。

Rapidus的独特生产模式能否支援其策略发展？

Rapidus Design Solutions首任总经理Henri Richard指出，Rapidus的主要市场是一些AI芯片新创公司，他觉得Rapidus没有必要直接挑战台积电就能获得成功。

受限于EUV机台，规模有限，无法同时服务太多客户，Rapidus主要以某些小型的利基市场（niche market） 为目标。为了可顺利经营这些利基市场，Richard接受《Forbes》访问指出：“Rapidus正在改变半导体的设计和生产方式，为当前制造商提供替代方案，并颠覆传统的制造方法”。

严格地说，台积电等三大厂都已发展出自己的先进封装技术，例如台积电的CoWoS （Chip-on-Wafer-on-Substrate），而不单只是做芯片制造。另一方面，混合键合技术也已被台积电与Intel应用在其先进封装技术之中。因而，Rapidus在先进封装领域较不容易因此而产生优势。

Rapidus透过把制造和封装集中在“同一屋檐下”，将缩短周期时间。这是不是表示，Rapidus正因应单片晶圆处理方式而会发展出自己的不同整合制程？有待后续观察。

结语

因Rapidus尚未正式量产，因而较无法验证其技术可行性到什么程度，待日后将会更加明朗。不过，由上述说明可知，Rapidus所谓的量产并非一般大众认知的大量生产，而是选择某些特定利基市场的多样化、小规模量产模式，因而其经营模式与其他三大厂商并不相同。

Rapidus能否如巨石落水，掀起大浪，关键在于：高阶领导团队必须确保Rapidus-IBM-imec跨国合作模式的先进制程技术，能生产出符合客户期待的高品质高效能芯片。而Rapidus细腻的小规模、多样化量产模式，或许是后续观察它能否成功的重要焦点之一，若此模式可顺利运转，那它可说是创造了第三步奇迹。

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