日本观察｜“半导体即国家”，日本如何抓住振兴半导体产业的“最后机会”_风闻

20世纪80年代，日本曾经是半导体产业的霸主，在全球半导体产业链中的份额超过50%。但从90年代后期开始，日本半导体产业不断走下坡路，如今在全球的市场份额不到10%。

走出去智库(CGGT)观察到，为了到2035年实现复兴“半导体大国”的梦想，“半导体即国家”已成为日本产业界的口头禅，日本政府也出台一系列政策促进本国半导体产业的发展，以抓住在全球芯片市场上确立强势地位的“最后机会”。

日本针对半导体行业有哪些促进措施？今天，走出去智库(CGGT) 编译美国战略与国际研究中心（CSIS)Sujai Shivakumar等人的文章，供关注全球半导体产业发展的读者参阅。

要 点

****1、****美日两国政府都将半导体脆弱性视为紧迫优先事项，并认识到两国都无法单独追求先进芯片制造的路径。

****2、****Rapidus-IBM-IMEC的合作可以说是全球半导体行业历史上最雄心勃勃的项目之一。日本目前在芯片制造技术方面落后于全球领先者台积电和三星约10年，处于40纳米工艺节点。该合作计划在两到三年内跨越多个中间节点，从而开始生产2纳米芯片。

****3、日本为强化其芯片制造能力将包括生产过程的“后端”——组装、测试，特别是封装，这在先进芯片的发展中扮演着关键角色。

正 文

日本正在采取重大的新工业政策，旨在恢复其半导体产业的国际竞争力。在20世纪80年代末，日本在该产业占据了世界产量的50%以上，但到2022年已降至9%。如今，日本产业落后全球技术领先者约10年。近来日本的一些措施反映出政策制定者的紧迫感和关切，如日本已经放弃了贯穿战后大部分时期的工业政策，包括限制外国投资和不允许外国主要制造商在日本运营。

如今，与外国合作伙伴的合作被视为必不可少。2022年5月4日，在第一次日美商业和工业伙伴关系（JUCIP）会议上，双方就“半导体合作基本原则”达成一致，该原则概述了在建立更具韧性的半导体供应链方面合作目标和策略的愿景。然后，在同一年5月23日举行的美日峰会上，启动了一个联合工作组，以实施这些基本原则，以开发下一代半导体。在2022年7月的美日经济政策委员会会议上，两国同意在关键技术领域进行联合研发，并且日本宣布成立一个类似于美国国家半导体技术中心（NSTC）的公共研究机构——前沿半导体技术中心（LSTC）。

美日新的合作模式

尽管在之前的几十年中，美日在许多领域宣布了类似的合作协议，但往往很少产生实际影响，美日经济政策委员会的协议是在新冠疫情以及芯片供应链中断引发的经济震荡的背景下达成的。

事实上，美日两国政府都将半导体脆弱性视为紧迫优先事项，并认识到两国都无法单独追求先进芯片制造的路径。疫情促使美日两国政策制定者将焦点放在“经济安全”概念上，以及降低战略风险所需的工业政策。2022年5月，日本颁布了《经济安全促进法》（ESPA），将四项法律捆绑在一起。ESPA指示日本公司在决策中考虑经济安全。

其结果是在日本和美国都出台了一系列“戏剧性”的政策措施，包括制定与半导体相关的重要产业促进立法，前所未有的双边芯片制造和研究合作，以及前所未有的对中国出口先进芯片技术的限制。日本的新半导体促进措施大致对应于美国在2022年制定的《芯片和科学法案》所采取的措施。类似地，日本最近对中国实施的23种芯片技术的出口管制大致与美国实施的类似贸易措施相符。

除了关于基本原则的双边美日协议外，这两个国家还是美国东亚半导体供应链韧性工作组（也称为“Fab 4”，芯片四方联盟）的成员，这是一个由美国领导的半导体联盟，还包括中国台湾和韩国。Fab 4于2023年2月举行了首次会议，重点关注如何加强芯片供应链。更广泛地说，日本和美国还在亚太地区的数字贸易问题上密切合作。

****日本在芯片制造方面面临的挑战是严峻的。日本最先进的晶圆厂使用40纳米（nm）设计规则，比全球领先的台积电和三星落后约10年。日本的动态随机存取存储器（DRAM）生产商在20世纪80年代主导了全球市场，但现在基本退出了该业务，该国最先进的DRAM现在是由美国公司美光科技在其拥有和运营的设施中制造的。日本在某些半导体器件类型方面具有国际竞争力，如NAND存储器、功率半导体、微控制器和CMOS图像传感器，但正如日本政府最近所承认的那样，目前的芯片促进努力可能是该国在全球芯片市场上确立强势地位的“最后机会”。

日本新兴的半导体战略

2021年6月，日本经济、贸易和工业省（METI）宣布了该国半导体和数字产业的核心战略，包括以下要点：

**●******与美国建立合作伙伴关系。****这将使得到2020年代末能够设计和生产下一代芯片（2纳米及以下设计规则）成为可能，这一目标通过与IBM和欧洲研究机构IMEC合作，成立了由日本企业组成的Rapidus联盟来追求。

**●**开发“颠覆性”的未来半导体技术。****为此，日本正在建立LSTC，一个由政府支持的先进芯片研究的研发中心。据报道，LSTC的构想源于美日讨论，这些讨论导致了基本原则的采纳。IBM将支持LSTC的建立和工作。

**●**建立新的芯片制造基地以生产传统设备。为实现这一目标，政府鼓励全球最先进的半导体制造商——台积电与索尼和汽车零部件制造商电装（Denso）合作成立了日本先进半导体制造公司，该公司正在熊本县建设晶圆制造工厂。据报道，第二家台积电晶圆厂正在考虑中。

**●******对国内芯片制造提供补贴。****日本政府表示，将对国内外制造商生产指定类型的半导体设备（包括功率设备、微控制器和模拟设备）、设备、材料和原材料的资本支出补贴高达三分之一。补贴的条件是至少在国内生产10年，并要求制造商在全球短缺时优先发货国内产品。

日本强调国际合作代表了该国政策的重大转变，此前该国曾追求在半导体领域至少到20世纪90年代实现自给自足的政策。这与美国目前的认识相一致，即在没有关键的外国伙伴关系的情况下，重新夺回芯片领导地位是不可能的。

Rapidus的启动

日本经济、贸易和工业省（METI）与美国的战略合作于2022年8月启动，成立了Rapidus联盟，该联盟由日本公司与IBM研究合作，开发IBM的2纳米半导体技术，并在日本建设一个或多个晶圆厂进行制造。第一个晶圆厂将建在北海道，计划在2026年至2027年之间启动。Rapidus此前与比利时的IMEC建立了合作伙伴关系，后者是欧洲主要的微电子研究组织，与全球几乎所有主要的半导体器件、设备和材料公司合作。

联盟的股份由12位日本半导体专家持有，成员包括****丰田、索尼、NTT、NEC、Kioxia（东芝）、Softbank、电装和三菱UFJ银行等日本高科技和金融公司。值得注意的是，许多联盟合作伙伴都是芯片的大型消费者；预计他们将构成联盟产出的初始市场。Rapidus得到了日本政府的大力支持，据报道最初的资金为700亿日元（约5.3亿美元），其中大部分将用于从荷兰ASML购买两台极紫外光刻机（EUV）。2023年4月底，政府宣布将向Rapidus提供额外的2600亿日元（约19.4亿美元），“以加强公司的研发工作”。预计Rapidus将需要约5万亿日元（约351亿美元）的投资才能开始大规模生产。

美国政府还鼓励成立Rapidus并促进IBM与该新实体的合作。然而，双边紧张关系依然存在。2023年3月，Rapidus的高管Orii Yasumitsu批评美国对半导体的出口管制“过于激进”，这是日本半导体行业的高管首次“公开表达对美国芯片法案的负面立场”。Orii进一步表示：“美国的规定过去削弱了日本的半导体产业。但现在美国再次试图通过规定夺回全球半导体的优势地位。韩国和日本必须共同应对美国的举措。”

LSTC：前沿半导体技术中心

日本在半导体领域的新发展努力涉及产业、政府和学术界之间的紧密合作。因此，Rapidus计划将得到LSTC的支持，LSTC于2022年12月成立，作为一个总体组织来协调日本的半导体研究。LSTC正在追求的研究主题与Rapidus的工作计划密切相关。LSTC将得到日本现有的一些公共研究机构的支持：先进工业科学技术研究所（AIST）、日本理化学研究所（一个主要由政府资助的大型科学研究机构）和东京大学。LSTC将向“志同道合的”国家的研究人员开放。

LSTC将追求几个关键主题：

● 建立领先的半导体电路设计技术

● 开发****全环绕（GAA）场效应晶体管的领先技术

● 开发能够在芯片设计和制造之间实现快速转换时间（TAT）的大规模生产技术

● 建立三维封装技术

● 开发用于GAA结构和先进封装的材料

LSTC计划每年从日本顶尖大学选出几十名学生和研究人员进行专业培训。课程将由半导体制造和电信技术方面的专家授课。位于Rapidus试点工厂所在地的北海道将开设自己的培训计划。

激进的技术目标

****Rapidus-IBM-IMEC的合作可以说是全球半导体行业历史上最雄心勃勃的项目之一。正如此前所述，日本目前在芯片制造技术方面落后于全球领先者台积电和三星约10年，处于40纳米工艺节点。该联盟计划在两到三年内跨越多个中间节点，从而开始生产2纳米芯片。这将构成一项无与伦比的技术壮举。****跳过一个节点甚至会对公司产生重大压力，如增加和更复杂的设计规则检查、额外的计算需求、显著增加的节点间IP设计师人员需求，以及许多难以实施的不断发展的技术，而这些都要在时间和成本压力增加的情况下进行，同时要在应对意想不到的技术未知风险。

Rapidus在先进芯片制造方面没有经验，迄今为止没有迹象表明它将能够从具有必要经验的公司（如台积电和三星）获取实际的专业知识。成功的关键可能是IBM的技术，该技术采用了GAA晶体管或“纳米片FET”，可以实现超越当前FinFET技术（一种允许更快的开关速度和更高密度的3D晶体管）的器件缩放。根据一位消息来源者的说法，“这可能是自集成电路诞生以来最具颠覆性的晶体管设计。”IBM最近还宣布了在互连技术方面的突破，将铜作为互连材料替换为钌（“互连3.0”），该材料可以扩展至一纳米及以上，仍然可以作为有效的导体。

日本的芯片基础设施

据报道，****美国的政策制定者和行业领袖开始将日本视为与中国不同的芯片生产中心，尽管成本较高。****在很大程度上，这种观点反映了日本在最先进的芯片制造所需的工具和材料方面拥有非凡的能力，日本的供应商在其专业领域通常代表着世界最佳水平。这些领域包括：

**●******极紫外光刻（****EUV光刻）：****日本生产了大部分用于芯片制造的极紫外光刻设备，以便在先进节点进行制造。日本的东京电子（TEL）在EUV的内联涂布/显影机市场上几乎占据了全球市场的100%份额，这是Rapidus将用于制造2纳米芯片的光刻技术。

**●******芯片堆叠：****TEL还与IBM密切合作，以在300毫米晶圆上实现全球首次的芯片堆叠操作。TEL在纽约州奥尔巴尼的奥尔巴尼纳米级科学与工程学院（CNSE）拥有庞大的存在，将数百名员工派驻到这个设施中，IBM在该设施中进行大部分应用芯片制造的研发。2023年3月，TEL宣布将投资1.67亿美元，在日本东北部建设一座新的生产设施，以“预期将有半导体产业的需求复苏”。

**●******光掩模：****日本的JEOL和NuFlare公司在EUV光刻的掩模制造全球市场上占有91%的份额。

**●******光刻胶处理：****日本的TEL和SCREEN公司在全球光刻胶处理设备市场上占有96%的份额。

**●******高端光刻胶：****四家日本公司——信越化学、东京大化工、JSR和富士康电子材料——占据了全球75%的高端光刻胶生产份额，用于先进芯片制造，并在所需的光刻胶生产方面几乎垄断了EU聚光光刻的设备。第五家日本公司，住友化学，最近进入了光刻胶生产市场。

**●******晶圆切割：****日本的Accretech、Okimoto、Toyo和Disco公司在全球晶圆切割设备市场上占有95%的份额。日本的Rorze、Daifuku和Muratech公司在全球晶圆处理设备市场上占有88%的份额。

**●******半导体材料：****日本是世界上最大的半导体材料市场，这一地位已持续几十年，拥有超过50%的市场份额，其中包括掩模、光刻胶和硅晶圆等14种最关键的芯片制造材料。

**●******3D芯片封装：****包括日产化学和昭和电工在内的日本半导体材料供应商正在进行重大的新投资，以开发和生产3D芯片封装所需的材料。2024年，日产化学将开始大规模生产用于3D封装的临时粘合胶，该粘合胶用于在抛光和叠层过程中将硅晶圆粘附到玻璃基板上，并允许在不损坏的情况下取下晶圆。

**●******硅晶圆：****日本的SUMCO和信越化学两家材料公司共占据了全球硅晶圆市场的60%份额，这对芯片制造至关重要。

日本政府对美国投资者的支持

****日本政府在半导体领域的新促进努力涉及对其他在日本进行的美日制造合作提供财政支持。****政府向美国公司美光科技（Micron Technology）提供465亿日元（3.2亿美元），该公司在日本拥有和运营生产设施，用于制造DRAM芯片。

美光科技于2012年在日本建立了制造业务，当时它收购了破产的日本DRAM制造商Elpida Memories。据报道，日本政府的资金正在用于扩大美光在广岛的工厂，以生产公司的新型高容量低功耗1-beta DRAM芯片，这是迄今为止最高密度的DRAM芯片。美国驻日本大使拉姆·埃马纽尔（Rahm Emmanuel）将此交易描述为两国“致力于共同加强半导体供应链和国家安全”的一个例子。

2022年，日本政府表示将向日本的Kioxia和美国公司西部数据（Western Digital）****的合资企业提供929亿日元（6.8亿美元），用于在日本三重县的合资企业生产基地制造3D闪存器件。

与台湾企业的合作

日本与IBM和IMEC的新的2纳米芯片制造联盟与台积电（TSMC）合作伙伴关系相呼应，以在日本工业中使用的旧芯片的制造，并开发先进的装配、测试和封装技术。台积电在日本已经取得很好的进展：

**●******2019年，****台积电在大阪建立了日本设计中心，以开发和改进半导体工艺技术。

**●******2021年3月，****台积电在日本筑波科学城成立了3D IC研发中心，支持与日本公司、公共研究机构和大学合作的先进半导体封装研究。据报道，日本政府为该项目提供了190亿日元（1.5亿美元）的资金支持，约占项目成本的一半。

**●******2021年11月，****台积电宣布将与日本的索尼和电装（Denso）合资超过20亿美元，在日本熊本县创建一个利用12、16、20和28纳米工艺技术的半导体晶圆厂。电装是日本重要的汽车零部件制造商，反映出自疫情爆发以来，日本汽车产业一直受到芯片短缺的困扰。该项目的建设于2022年4月开始，预计于2024年12月开始生产。据《日经新闻》报道，日本政府以总计4760亿日元（35亿美元）的巨额补贴资助了这一努力，或许是日本政府向外国制造商提供的最大补贴。

**●**截至2022年12月，****据报道，索尼正在新晶圆厂附近建立一座设施，将从中获得用于制造CMOS图像传感器的逻辑芯片。

**●******2023年2月，****台积电透露计划在熊本县建设第二座晶圆厂，与索尼和电装合作，投资70亿美元，将采用5纳米和10纳米工艺，并于2025年或之后开始运营。电装认为新晶圆厂的10纳米能力对确保自动驾驶汽车芯片的稳定供应至关重要。

对后端的新关注

日本为强化其芯片制造能力将包括生产过程的“后端”——组装、测试，特别是封装，这在先进芯片的发展中扮演着关键角色。目前，由于日本强调与中国和亚洲其他国家的国际合作，大部分后端操作包括封装都位于其他地区。这种后端关注的一些关键要素包括：

● Rapidus的高级执行官Orii Yasumitsu在2022年12月表示，“人们更多地关注了前端（即晶圆制造），但我们也将在后端过程上工作……我们将建立整合的前端和后端生产线。”

● 半导体封装陶瓷制造商京瓷（Kyocera）最近宣布将投资620亿日元（4.7亿美元）建设其二十年来的首个新生产设施，生产用于先进芯片的封装材料。

● 芯片测试设备制造商Advantest与台积电达成技术联盟，用于开发高密度后端应用的测试设备，在筑波的台积电3D IC研发中心实施。

● 日本领先的光刻设备制造商佳能（Canon）推出后端光刻机，旨在在设备之间建立高密度连接，以在单个封装中实现改进的性能和能源效率。

● 日本芯片设备制造商乌尔瓦克（Ulvac）正在改进其用于清除微小杂质的设备，由于封装操作更加复杂，产生的微小杂质数量增加。这些杂质可能会影响芯片性能。

● 芯片材料供应商住友巴克莱（Sumitomo Bakelite）正在开发与先进后端生产过程兼容的特种树脂。

日本的新半导体促进努力代表了一个重大转变，不再继续至少持续到1990年代的工业独立政策。今天的目标是与美国和欧洲合作建立全球供应链，以减轻像疫情期间发生的冲击，并减少对日益强硬的中国的依赖。美国和欧洲联盟正在制定的半导体政策也在推动着类似的思考，为合作提供了潜在的丰富途径。正如METI的一名官员在2022年8月所说，“世界和平无事，谁供应我们的芯片都无关紧要的时代已经过去。”日本的新政策是对这个新现实的雄心勃勃且可能有效的回应。

原文链接：

https://www.csis.org/analysis/japan-seeks-revitalize-its-semiconductor-industry免责声明:

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