半导体产业系列（一）--日本半导体产业之崛起

姓 名：李欢迎            学 号：20181214053              学 院：广研院

原文链接：https://xueqiu.com/7332265621/133496263

【 嵌牛导读 】 ： 半导体的应用领域很广，在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用，可以说是现代科技的骨架。半导体应用的关键领域便是集成电路。集成电路发明起源于美国，后来在日本加速发展壮大，到目前在韩国台湾分化发展。本文旨在介绍日本半导体的发家史，体会上世纪美日之间在半导体产业争霸上的血雨腥风，同时从中寻找一些我国科技产业的发展经验。

【 嵌牛鼻子 】 ： 日本半导体产业

【 嵌牛提问 】 ： 日本半导体产业是如何在美国技术封锁的牢笼中走向世界？

【 嵌牛内容 】

       在集成电路行业，全球范围内的每一次技术升级都伴随模式创新，谁认清了技术、投资和模式间的关系，谁才能掌握新一轮发展主导权，在全球竞争中占据更为有利的地位，超大规模集成电路（VLSI）计划便是例证。日本的集成电路产业发展较早，在20世纪60年代便已经有了研究基础，发展至今经历了从小到大、从弱到强、转型演变的历史，其中从1976年3月开始实施的超大规模集成电路计划是一个里程碑。

日本集成电路的起点

       在超大规模集成电路计划实施前，日本的集成电路行业已经有了一定的基础。作为冷战时期美国抵御苏联影响的桥头堡，日本的集成电路发展得到了美国的支持。1963年，日本电气公司便获得了仙童半导体公司的平面技术授权，而日本政府则要求日本电气将其技术与日本其他厂商分享。以此为起点，日本电气、三菱、夏普、京都电气都进入了集成电路行业。在日本早期的集成电路发展中，与美国同期以军用市场为主不同的是，日本在引进技术后侧重于民用市场。究其原因，第二次世界大战后，日本的军事建设受限，在美苏航天争霸的过程中日本的半导体技术只能用于民间市场。正是如此，日本走出了一条以民用市场需求为导向的集成电路发展之路，并在20世纪70年代和80年代一度赶超美国。

        日本政府为集成电路的发展制定了一系列的政策措施，例如1957年制定的《电子工业振兴临时措施法》、1971年制定的《特定电子工业及特定机械工业振兴临时措施法》和1978年制定的《特定机械情报产业振兴临时措施法》，加上民用市场的保护使日本的集成电路具备了一定的基础。

20世纪70年代，在美国施压下，日本被迫开放其半导体和集成电路市场，而同期IBM正在研发高性能、微型化的计算机系统。在这样的背景下，1974年6月日本电子工业振兴协会向日本通产省提出了由政府、产业及研究机构共同开发“超大规模集成电路”的设想。此后，日本政府下定了自主研发芯片、缩小与美国差距的决心，并于1976—1979年组织了联合攻关计划，即超大规模集成电路计划，计划设国立研发机构——超大规模集成电路技术研究所。此计划由日本通产省牵头，以日立、三菱、富士通、东芝、日本电气五家公司为主体，以日本通产省的电气技术实验室、日本工业技术研究院电子综合研究所和计算机综合研究所为支持，其目标是集中优势人才，促进企业间相互交流和协作攻关，推动半导体和集成电路技术水平的提升，以赶超美国的集成电路技术水平。

        项目实施的4年间共取得上千件专利，大幅提升了日本的集成电路技术水平，为日本企业在20世纪80年代的集成电路竞争铺平了道路，取得了预期的效果。把握世界竞争大势、研判未来发展方向，需要凝聚力量、统筹协调的专业认知作为支撑。尽管事后看，日本的超大规模集成电路计划实施效果非常理想，但是实施过程却并不顺利。根据前期测算，计划需投入3000亿日元，业界希望能够得到1500亿日元的政府资助，后来实施4年间共投入737亿日元，其中政府投入291亿日元。其间，自民党信息产业议员联盟会长桥木登美三郎多次努力，希望政府追加投入，但是未能如愿。政府投入未及预期，参与企业的士气受到了一定程度的打击。当时，参与计划的富士通公司福安一美说：“当时，大家都有一种被公司遗弃的感觉，而且并未料到竟然研制出向IBM挑战的产品。”

       投入不及预期，再加上研究人员从各企业和机构间临时抽调、各行其道，一时间日本的超大规模集成电路计划开发很不顺利，不同研究室人员间互相提防、互不往来、互不沟通的现象十分普遍。 此时，垂井康夫站了出来。垂井康夫1929年出生于东京，1951年毕业于早稻田大学第一理工学院电气工学专业，1958年申请了晶体管相关的专利，是日本半导体研究的开山鼻祖，1976年超大规模集成电路技术研究会成立时被任命为联合研究所的所长。

       垂井康夫在当时的日本业界颇具声望，他的领导使各成员都能信服。 垂井康夫对参与方进行积极的引导，指出参与方只有同心协力才能改变基础技术落后的局面，在基础技术开发完成后各企业再各自进行产品开发，这样才能改变在国际竞争氛围中孤军作战的困局。垂井康夫的努力，很快为研发人员所接受，各家力量得到了有效的融合，而历时4年的风雨同舟、协同努力成了日本集成电路产业发展的最好推力。除垂井康夫外，当时已从日本通产省退休的根岸正人功不可没。当时，超大规模集成电路技术研究会设理事会，日立公司社长吉ft博吉担任理事长，但是在真正的执行过程中，根岸正人发挥了很好的协调作用。

       根岸正人有多年推动大型国家研究计划的经验，他对计划各参与方的能力、利益诉求都颇为了解，在计划中通过其有效的沟通化解了冲 突，为垂井康夫成功地凝聚团队做了背后的铺垫。 可以看出，在集成电路的研发攻关中，除了资金和资源投入外，团队协调和技术融合更是成功的关键。

       从超大规模集成电路计划的组织架构来看，除垂井康夫领导的联合研究所外，先前成立的两个联合研究机构也参与了超大规模集成电路计划，分别是日立、三菱、富士通联合建立的计算机综合研究所，以及由日本电气和东芝联合成立的日电东芝信息系统。三个研究所分别从事超大规模集成电路、计算机和信息系统的研发，其中联合研究所负责基础及通用技术的研发，另两个研究所则负责实用化技术开发（重点为64KB及256KB内存芯片的设计及开发）。在各方的协同努力下，参与方都派遣了其最优秀的工程师。来自各地的工程师们肩并肩地在同一研究所内共同工作、共同生活、集中研 究，在微细加工技术及相关设备、硅晶圆的结晶技术、集成电路设计技术、工艺技术和测试技术上取得了突破。其中，联合研究所主要负责微细加工技术及相关设备、硅晶圆的结晶技术的攻关，其他技术的通用部分也由其负责，实用化的开发则由另两个研究所负责。

       具体来看，六个研究室中，分别由不同企业负责协调：第一、第二、第三研究室主要攻关微细加工技术，分别由日立、富士通和东芝负责协调；第四研究室攻关结晶技术，由工业技术研究院电子综合研究所负责协调；第五研究室负责工艺技术，由三菱负责协调；第六研究室攻关测试、评价及产品技 术，由日本电气负责协调。微细加工技术是计划的重心，从联合研究所的研究成果来看，日本当时开发了三种电子束描绘装置、电子束描绘软件、高解析度掩膜及检查装置、硅晶圆含氧量及碳量的分析技术等。垂井康夫评估说，计划实施完毕后日本的半导体技术已和IBM并驾齐驱。在计划中，日本企业对于动态随机存储器有了深入的理解，其更高质量、更高性能的动态随机存储器芯片为日本赶超美国提供了机遇。

       从1980年至1986年，日本企业的半导体市场份额由26％上升至45％，而美国企业的半导体市场份额则从61％下滑至43％。 1980年，联合研究所的研究工作已全部结束，而另两个研究所则追加资金（共约1300亿日元）作进一步的技术开发， 以1980年至1982年为第一期，1983至1986年为第二期。 这些系统化的布局为日本的半导体行业腾飞发挥了至关重要的作用。

       从人员来看，计划开展期间的联合研究所研发人员数量为100人左右，计算机综合研究所的研发人员数量为400人左右，日电东芝信息系统则为370人左右。在后续投入阶段，研究人员数量减少，1985年计算机综合研究所研发人员已减至90人左右，而日电东芝信息系统则减至30人左右。尽管联合研究所研发人员相对较少，但事关各企业的未来发展基础，因此各企业都派遣一流人才参与。在此过程中，垂井康夫对各企业都十分了解，点名要求各企业派遣其看中的人才。

       在实施超大规模集成电路计划及后续的资助计划后，1986年日本半导体产品已占世界市场的45％，超越美国成为全球第一半导体生产大 国。 1989年，在存储芯片领域，日本企业的市场份额已达53％，与美国该领域37％的市场份额形成了鲜明对比。 在日本企业的巅峰时期，日本电气、东芝和日立三家企业排名动态存储器领域的全球前三，其市场份额甚至超90％，与之相比，美国德州仪器和镁光科技则苦苦支撑。

美、日将联手研发2nm芯片

美、日将联手研发2nm芯片，日美两国将启动次世代芯片(2纳米芯片)的量产研发，力拼在2025年量产，此时间点也与台积电、三星所喊出的2纳米目标一致。美、日将联手研发2nm芯片。

美、日将联手研发2nm芯片1

目前全球能做到2nm工艺的公司没有几家，主要是台积电、Intel及三星，日本公司在设备及材料上竞争力有优势，但先进工艺是其弱点，现在日本要联合美国研发2nm工艺，不依赖台积电，最快2025年量产。

日本与美国合作2nm工艺的消息有段时间了，不过7月29日日本与美国经济领域有高官会面，2nm工艺的合作应该会是其中的重点。

据悉，在2nm工艺研发合作上，日本将在今年内设立次世代半导体制造技术研发中心（暂定名），与美国的国立半导体技术中心NSTC合作，利用后者的设备和人才研发2nm工艺，涉及芯片涉及、制造设备/材料及生产线等3个领域。

这次的研发也不只是学术合作，会招募企业参加，一旦技术可以量产，就会转移给日本国内外的企业，最快会在2025年量产。

对于日美合作2nm并企图绕过台积电一事，此前台积电方面已有回应，台积电称，半导体产业的特性是不管花多少钱、用多少人，都无法模仿的，要经年累月去累积，台积电20年前技术距最先进的技术约2世代，花了20年才超越，这是坚持自主研发的结果。

台积电不会掉以轻心，研发支出会持续增加，台积电3nm制程将会是相当领先，2nm正在发展中，寻找解决方案。

美、日将联手研发2nm芯片2

现在全球最先进的芯片约有9成是由台积电生产，各国想分散风险以确保更稳定的供应，像是日本与美国将在半导体产业进行合作，日经新闻29日报道，日美两国将启动次世代芯片(2纳米芯片)的量产研发，力拼在2025年量产，而此时间点也与台积电、三星所喊出的2纳米目标一致。

报道指出，日美强化供应链合作，日本将在今年新设一个研发据点，其为和美国之间的窗口，并将设置测试产线，值得注意的是，日美也将在本月29日，于华盛顿首度召开外交经济阁僚协议“经济版2+2”，上述2纳米合作将纳入该协议的联合声明。

报道提到，日本将在今年新设次世代半导体制造技术研发中心，并将活用美国国立半导体技术中心的设备和人才，着手进行研发。因美国拥有Nvidia、高通等企业，而在芯片量产不可或缺的.设备、材料上，日本企业包括东京威力科创、Screen Holdgins、信越化学、JSR等拥有很强的竞争力，为日美合作奠下基础。

报道称，全球10纳米以下芯片产能，台湾市占率高达9成，台湾企业也计划在2025年开始生产2纳米芯片，不过日美忧心台海冲突恐升高，两国的目标是即便“台湾有事”，也能确保先进芯片的供应数量。

美、日将联手研发2nm芯片3

据媒体报道，日美两国将通过经济协商，就确保新一代半导体安全来源的共同研究达成协议。7月29日，日本外务大臣林吉正(Yoshimasa Hayashi)和贸易大臣萩生田光一(Koichi Hagiuda)将在华盛顿与美国国务卿布林肯(Antony Blinken)和商务部长雷蒙多(Gina Raimondo)举行第一轮经济“二加二”会谈，预计供应链安全将是一个主要议题。

据悉，日本将于今年年底建立一个联合研发中心“新一代半导体制造技术开发中心(暂定名)”，用于研究2纳米半导体芯片。该中心将包括一条原型生产线，并将于2025年开始量产半导体。建立该中心的协议将列入会议结束后发表的声明中。报道还表示，产业技术综合研究所、理化学研究所、东京大学将是新中心的参与者之一，其他企业也可能被邀请参与。

从产业链来看，美国和日本在半导体领域中有很强的互补性。上世纪80-90年代，日本半导体在美国的打压之下，其半导体制造环节基本从全球半导体制造格局中退出，转而布局上游半导体材料和设备。目前日本在半导体材料和半导体设备领域两大环节拥有优势，特别是半导体材料领域的“垄断”地位。

代表性企业为大硅片（日本信越、Sumco）、掩膜版（日本DNP、Toppan）、光刻胶（日本JSR、东京应化、富士电子材料）、溅射材料（日矿金属、日本东曹、住友化学等）。

美国则在半导体设备业在全球同样处于垄断地位，拥有除光刻机以外几乎所有的设备生产能力，如应用材料。在EDA工具、IP及计算光刻软件等领域，美国处于绝对垄断地位，主要为Cadence、Synopsys、Siemens EDA三大巨头垄断。

整体来看，美国和日本在半导体材料、设备、设计领域占据优势，加之两国“紧密”的政治关系，在先进芯片工艺研发上有先天的优势与基础。在很大程度上，对美国提出“四方芯片联盟”，美日两国有最“坚定”的政治可能和经济基础。

至于为什么急于发展2纳米先进工艺，主要有以下两点：一是芯片是所有高科技产业的“底座”，是综合国力竞争的制高点，加之疫情以来的芯片短缺，让美日进一步认识到半导体制造的重要性；二是东亚晶圆代工实力强劲，规模庞大，除了台积电、三星之外，中国大陆芯片代工发展迅速，比如中芯国际、华虹半导体；三是推动高端产业链本土化回迁，掌控科技竞争主动权。

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