当前业界对 AI、IoT、5G 通信以及高性能计算等的需求不断攀升，作为现阶段最尖端的半导体制造工艺之一，2nm 制程技术已成为行业追逐的目标。
随着工艺迈向 2nm 节点制程，晶体管结构由沿用多年的鳍式场效应晶体管（FinFET）架构正逐步被全环绕栅极场效应晶体管（GAAFET）架构所取代。
与 FinFET 有所不同，GAAFET 使用栅极材料完全包裹通道，从而带来更好的电场控制，然而这种架构的改变也随之带来新的挑战，即如何实现多阈值电压让芯片以较低电压执行复杂计算。此外，在 2nm 制程下，N 型和 P 型半导体通道之间的距离十分狭窄，需要高度精确的光刻技术才能在实现多阈值电压的同时不会对性能产生影响。
对此，IBM 与一家日本半导体公司 Rapidus 通过在构建过程中引入两种不同的选择性减少层（SLR）技术解决了这一难题。在上周的 2024 年 IEEE 国际电子设备会议上，IBM 展示了双方合作开发的“多阈值电压全环绕栅极场效应晶体管”技术。
据称，这项技术将在 Rapidus 的 2nm 芯片量产过程中发挥关键作用。“与上一代 FinFET 相比，GAAFET 使用的纳米片结构复杂度更高，虽然结构复杂，但与早期方法相比，该技术将使芯片的生产制造过程更为简化，从而让 Rapidus 更容易可靠地大规模生产 2nm 芯片。”IBM 的一位发言人表示。
据了解，Rapidus 公司成立于 2022 年 8 月，由丰田汽车、日本电装、索尼集团、铠侠、日本电信电话、日本电气、软银以及三菱日联银行 8 家企业合资成立。在当时，Rapidus 公司获得了 8 家企业共计 73 亿日元投资，以及日本政府提供 700 亿日元初始资金。
2022 年 12 月，Rapidus 宣布已经与 IBM 建立战略合作伙伴关系，共同研发 2nm 节点制程技术；今年 6 月，双方共同宣布，以联合开发 2nm 节点制程技术的现有协议为基础确立了 2nm 芯片封装量产技术合作伙伴关系，共同开发 2nm 制程芯粒（Chiplet）先进封装量产技术。这意味着 Rapidus 与 IBM 在 2nm 节点制程领域的合作从前端扩展到后端。
明年试产 2nm 芯片，实现量产还面临三座大山
在 2024 年日本国际半导体设备及材料展览会上，Rapidus 公司董事长 Tetsuro Higashi 声称对公司 2nm 节点制程的试产线充满信心。
他透露，“Rapidus 的 EUV 光刻设备将于本月交货给工厂，此外还有 200 余台设备陆续交货。所有设备 2025 年 3 月底前到位，启动生产 2nm 芯片试产线。”
据了解，Rapidus 位于北海道千岁市的第一座 2nm 芯片工厂已于 2023 年 9 月动工。根据公司规划，明年 3 月底将完成试产 2nm 芯片所需的全部设备设置工作；4 月启动试产线开始生产 2nm 芯片；待完成试产后，目标则是在 2027 年 4 月实现 2nm 芯片的规模化量产。
近期，据日经新闻报道，Rapidus 公司董事长 Tetsuro Higashi 在接受采访时称，“实现生产 2nm 芯片的目标需要克服三个方面的挑战，量产技术可行性、市场和客户定位，以及资金问题，尤其是严重依赖日本政府的资源。”
具体而言，在量产技术可行性方面，由于日本制造商 40nm 以上的工艺已经实现了大规模量产，Rapidus 选择跳过中间工艺，直接追求 2nm 工艺被视为一种“鲁莽的尝试”。
但在 Tetsuro Higashi 看来，“由于半导体设备制造商长期以来一直参与先进的半导体技术，而 Rapidus 正在与 IBM 等合作，整合技术和经验，因此有信心实现 2nm 芯片的量产。”
需要注意的是，5nm 以下的制程工艺离不开 EUV 光刻机，不论研发还是制造都需要从全球唯一供应商 ASML 购买 EUV 光刻机
市场和客户定位方面，从成立之初，Rapidus 就将自身定位为“台积电的替代供应商”，旨在通过创建专用半导体市场来实现差异化，这与擅长生产大规模和标准化产品的大公司不同。
在 2024 年日本国际半导体设备及材料展览会期间，Tetsuro Higashi 称“标准芯片浪费过多能源”，并表示“半导体产品应该从标准化产品转向为特定应用（比如机器人、自动驾驶和远程医疗）量身定制的专用芯片。通过技术创新，未来的半导体产品可以将能耗降低到目前水平的五分之一。”
他还预计，“生成式 AI 市场将转向针对各种算法优化的专用芯片，从而导致市场环境发生巨大变化。”
资金方面，由于私人投资者认为 Rapidus 实际生产先进芯片的能力存在较高的风险，该公司目前严重依赖日本政府的财政支持。
为了实现 2027 年量产 2nm 芯片的目标，Rapidus 预计将需要 5 万亿日元（约合 320 亿美元）的资金。目前，该公司的主要资金来源是连续三个财年政府提供的 9200 亿日元补助金，然而这一数字距离 5 万亿日元还存在较大资金缺口。
日本首相等官员曾多次强调，政府计划在 2030 财年前拨款 10 万亿日元支持半导体和 AI 产业发展，以刺激民间投资，其中对 Rapidus 的支持是这一政策的重点。
然而，如果 Rapidus 继续完全依赖政府支持，其可能会成为一家国有企业。日本业界和媒体担心国有半导体公司可能成为成本高昂、效益有限的企业。对此，Tetsuro Higashi 强调，“虽然 Rapidus 目前主要依赖政府支持，但最终目标是实现独立。”
未来几年，Rapidus 的目标是增加私人资金的比例，寻求通过银行贷款或私人股东增资的方式为工厂建设提供资金，目标是让约一半的设备投资来自私人股东。
今年以来，日本政府加大了对 Rapidus 的支持力度。据日本经济产业省的计划案显示，日本政府计划在 2025 年度对 Rapidus 投资 2000 亿日元。
当然，不同于此前的“补助金”，投资能让日本政府以出资者的立场加强对运营的参与和监督，从而更易于发挥治理功能；此外，计划案还提到，日本政府计划在 2027 年 10 月对 Rapidus 进行“实物出资”，使用政府资金兴建的工厂、设备等资产与公司股票进行交换。
参考资料：
1.https://www.digitimes.com/news/a20241216PD219/rapidus-2nm-production-japan-government.html
2.https://www.digitimes.com/news/a20241212PD218/rapidus-japan-2nm-production-2025.html
3.https://www.dramx.com/News/made-sealing/20241216-37640.html
4.https://technews.tw/2024/12/12/ibm-partners-with-rapidus-to-develop-multi-threshold-voltage-gaa-transistors/
5.https://baike.baidu.com/item/Rapidus/62217038?fr=ge_ala
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