危机四伏的日本半导体设备

作者：汤之上隆

聚光灯开始照射到曾是日本衰落产业代表的半导体领域。“日本半导体产业将复兴”的舆论日益盛行。不过，我（汤之上隆）并不认同这种舆论，认为它会“复兴”的想法本身就是错误的（图1）。

在20世纪80年代中期，日本曾经占据了半导体领域世界市场份额的50%。当时，日本在半导体存储器DRAM领域几乎垄断了80%的全球市场份额。换句话说，80年代中期的“世界市场份额50%”主要来自DRAM。

然而，在90年代，日本的DRAM市场份额迅速下降，到了2000年左右，除了日立制作所和NEC的合资公司尔必达外，日本退出了DRAM市场。而尔必达在2012年宣布破产，被美国美光收购。

日本半导体产业从DRAM撤退后，将焦点转向了逻辑半导体，用于计算等领域。然而，即使是逻辑半导体也遭受了严重打击。结果，日本半导体产业沦为了衰落产业。

在这种情况下，芯片代工公司台积电于2021年10月宣布在熊本设立工厂。此外，新公司Rapidus于2022年11月宣布计划在2027年之前量产2纳米的逻辑半导体，这些消息引起了日本半导体产业的广泛关注。

因此，形成了“日本半导体产业将复苏”的舆论。然而，台积电熊本工厂和Rapidus计划生产的不是在20世纪80年代中期曾经垄断80%市场份额的DRAM，而是先进的逻辑半导体，这是过去并不强大的领域。

因此，当前在日本出现的热潮实际上不是“复苏”，而是对（迄今为止相对较弱的）逻辑半导体的新挑战。那么，这个挑战是否会成功呢？

 01半导体热潮的起源

2020年，疫情在全球蔓延，2021年全球半导体短缺，导致汽车和其他产品无法制造。因此，以汽车为核心产业的日本、美国、德国政府，要求台积电增加汽车用半导体产量。

半导体受到关注的契机就在这里。直到2020年一直忽视半导体的日本政府和经济产业省彻底改变了态度。经济产业省表示，危机感日益增强，如果照此发展下去，到2030年日本半导体产业的全球份额将降至0%。结果，支持新建先进半导体工厂的修法于2021年12月20日在国会获得通过并成立。此后，基于这项修法，一系列半导体工厂的补助计划陆续公布（见图2）。

那么，这一政策会增加日本半导体的市场份额吗？

 02日本半导体产业份额会增加吗？

首先，索尼和电装公司将对台积电进行资本参与。台积电的熊本工厂将承担12/16至22/28纳米逻辑半导体的代工生产，并获得日本政府提供的4670亿日元的补助。

然而，台积电熊本工厂并不会优先生产面向日本市场的半导体。此外，日本几乎没有专门从事设计的半导体制造商（通常称为“无晶圆厂”）。因此，即使台积电熊本工厂建成，日本的市场份额也不会显著增加。

接下来，美国Micron收购了陷入破产的尔必达，并为广岛工厂提供了总计2465亿日元的补助。然而，由于该工厂隶属于美国企业，即使在此生产DRAM，对日本市场份额的贡献也可以说是严格意义上的0％。

此外，铠侠和西部数据（WD）共同运营生产NAND闪存的四日市和北上工厂，将获得929亿日元。不过，西部数据似乎将收购 Kioxia。如果此次收购完成，四日市和北上工厂都将成为美国公民，因此那里生产的所有NAND都将在美国制造，对日本市场份额的贡献将为0%。

最后，在2022年11月，Rapidus宣布计划在2027年之前量产2纳米的逻辑半导体，并获得了总计3300亿日元的补助。然而，正如下文所述，Rapidus要实现2纳米逻辑半导体的量产几乎是不可能的。因此，尽管对Rapidus提供了资金支持，但对日本市场份额的贡献仍然可以说是0％。

 03为什么Rapidus无法量产2nm

首先，2纳米技术的开发需要约500名非常出色的工程师，而2纳米技术的量产则需要大约1,000名经验丰富的生产技术人员。这些1,500名超级精英工程师在日本难以找到，因此不太可能被Rapidus吸引到。

其次，2纳米技术的开发和量产需要荷兰的ASML公司提供的唯一最先进的曝光设备EUV。然而，Rapidus要到2024年底才会引入EUV技术，而且可能无法熟练掌握。以下是这一观点的依据（见图3）。

首先，处于技术前沿的台积电在2018年进行了约一百万次的EUV（极紫外线）曝光实践，然后于2019年首次将EUV技术应用于量产。而正试图赶超台积电的三星电子则租用了大型DRAM生产线进行了约30万次的EUV曝光实践，但由于实践不足，产量不升反降。此外，美国英特尔于2021年引入了EUV技术，但到2023年仍未能熟练掌握。

考虑到这些先进半导体制造商普遍面临EUV技术的困难，可以认为Rapidus要精通EUV技术将会面临巨大挑战。

其次，目前在委托生产方面，没有半导体代工厂（Foundry）与Rapidus合作。代工厂通常是建立在已有委托生产需求的基础上的业务。例如，台积电每年从美国苹果公司获得委托，生产超过2亿个新款iPhone处理器，价格每个100美元以上。台积电在与客户签订委托生产合同之前，会进行开发和设备投资，以确保能够盈利。

然而，Rapidus宣称要在2027年量产2纳米的逻辑半导体，但目前没有任何委托生产的合同或计划。因此，可以说Rapidus并未理解代工厂的本质。

综上所述，由于上述原因，Rapidus可能无法实现2纳米逻辑半导体的量产。因此，日本的逻辑半导体新挑战可能会以失败告终。那么，日本应该采取什么行动呢？

 04日本在全球半导体产业中的作用

在 2021 年 6 月 1 日向众议院发表的声明中，作者认为首要政策应该是“让强者变得更强”。“强的东西”是制造设备和材料。

在半导体材料领域，日本在制造半导体芯片所需的材料基板——硅晶圆、感光材料（光刻胶）、各种CMP研磨液、各种化学药剂等方面拥有非常高的市场份额（见图4）。此外，在设备方面，虽然不是全部，但在光刻胶涂布显影设备、热处理设备、片式清洗设备、批量清洗设备和测长电子显微镜（CD-SEM）等领域，日本的市场份额也很高（见图5）。

因此，日本在设备和材料领域拥有很高的市场份额，为全球半导体产业发挥着极其重要的作用（见图6）。

韩国拥有三星电子和SK Hynix，已经成为半导体存储大国。中国台湾拥有全球份额约60%的台积电，已经成为逻辑半导体领域的全球基础设施。此外，中国大陆吸收了全球三分之一以上的半导体，鸿海集团的大型工厂生产PC、智能手机和各种家电产品。

在这种背景下，日本将设备和材料出口到韩国、中国台湾、大陆以及欧美。换句话说，全球半导体产业在没有日本的设备和材料的情况下无法维持运转。然而，日本的设备产业正面临着危机。

 05日本设备业危机

如图7所示，地区设备份额的情况表明，直到大约2010年，日本一直在与美国争夺设备市场份额的领先地位。然而，自2012年以来，日本的市场份额急剧下降，到2022年已降至不到美国市场份额的一半，仅为24％。

分析这一情况的原因，发现在过去的10年中，几乎所有设备的市场份额都在下降。这是一个非常严重的问题，似乎不容易解决。

在这种情况下，已经很难再说“日本的制造设备很强大”。而且，如果市场份额持续下降，日本将很难继续向全球提供设备。目前的情况非常危机四伏。如果现在不采取行动，日本的设备产业可能会走上与半导体存储器产业相同的道路。因此，不应该将大量资金投入到无法带来成果的Rapidus这样的项目中。

推荐器件