台积电答应赴日建厂，日本半导体行业能否因此崛起？

日本第一大芯片公司NEC，从1985年日本半导体全面击败美国企业，到2012年整体下滑，平均营业利润率只有2%左右。一个行业的消失会伴随着相关行业的崩溃，导致市场环境的剧烈变化，因此很难有美凯的第二次机会。日本的芯片产业无法逃脱这一市场规则。

无论是从产业链发展的现实，还是从历史到今天的情况，都只能说，日本半导体产业依靠台积电这样的巨头企业重振昔日的辉煌是一厢情愿。20世纪90年代末，由于日美贸易摩擦和日本企业难以适应新的市场竞争，日本半导体产业开始从鼎盛时期走向衰落。包括NEC、富士通、东芝等五大巨头在内的日本芯片企业，走的是与英特尔相同的产业化道路，即集设计、制造、封装和销售为一体的品牌，即垂直整合模式（IDM）。因为芯片设计、制造成本和工艺之间的关系不仅在上升，而且在加速。从设计到流程，一个28nm芯片的成本为6290万美元，而一个5nm芯片的成本为4.76亿美元。采用五代先进技术，成本增加了6.6倍左右。

也就是说，设计成本的增长速度要快于工艺成本的增长速度。芯片制造成本的增加并不像设计成本那样夸张，但绝对数量也是巨大的。根据国际商业策略公司（IBS）公布的数据，一条10nm工艺芯片生产线的投资至少为100亿美元，5nm生产线的投资至少为150亿美元，而说到3nm芯片，这个数字就变成了200亿美元。中芯国际登陆A股科技创新板，募集资金532亿元，融资金额在A股中排名第五。在很多投资者看来，这是一个惊人的天文数字，但在芯片制造业，532亿元还不足以建成一条10nm芯片生产线。

正是因为集成设计与制造的垂直集成模式是一个淘金者，所以如果英特尔不具备x86架构的垄断优势带来高额利润回报，就很难维持企业的发展。同样基于x86架构的AMD在市场地位上不如英特尔。为了避免芯片制造部门的流失，必须将其分离重组为grofond，然后分别走上无晶圆设计模式和晶圆OEM模式。然而，日本芯片公司不愿意效仿AMD。此外，当时设计和生产的DRAM芯片大多难以像英特尔那样建立垄断优势，因此只能把它们组装在一起，赚取微薄的加工费。利润有多小？日本第一大芯片公司NEC，从1985年日本半导体全面击败美国企业，到2012年整体下滑，平均营业利润率只有2%左右。这是日本芯片企业失败的主要原因之一，也反映出难以适应行业节奏的竞争趋势。

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。

在过去几年里，“缺芯”是半导体行业的老大难，“扩产”则成了晶圆代工厂的常态。面对供应不足的行业现状，扩大产能、抢占市场成为了全球晶圆代工企业共同的选择。

先前半导体的技术竞赛，指的都是前段制程如何缩小尺寸，但现在几乎已达技术极限。据悉，半导体行业 游戏 规则正在改变，原本后段制程认为附加价值低，现在却和前段制程一样跻身热门领域；主要战场已移到后段制程，而不再是一味比线路的微细化了。

半导体若要功能更强、成本更低，就要另辟战场。这时候脱颖而出的就是后段工程的晶片3D封装技术，因可减少多余能源耗损，提高效率。例如讲究轻巧的智慧型手机、AR或VR用头盔等，都适合用到这种技术。此外，去年开始大家都在讲碳中和，也使这项技术高度受重视。日本半导体业者指出，原本节省能源就是非做不可的事，但3D封装技术现在变成最重要课题。

日本有多家企业拥有3D封装技术。材料方面包括昭和电工材料（前日立化成）、JSR、揖斐电（Ibiden）、新光电气工业等；制造设备有牛尾电机、佳能、迪斯科（Disco）、东京精密等，迪斯科和东京精密就独占半导体切割设备市场。这些企业及一些研究所和大学，都在台积电合作开发的名单内。

事实上，2020年秋季全球半导体大缺货时，电脑、 游戏 机等设备的后段工程材料就供不应求。当时揖斐电还为此决定投资1,800亿日圆增产高性能IC封装基板，预定2023年开始量产。业界人士透露，由于日本基板不足，曾导致部分外国半导体厂无法量产。

封装是指将完成前端工艺的晶圆切割成半导体的形状或对其进行布线。在业界，它也被称为“后段制程”。

尤其是英特尔和台积电等全球半导体巨头正在大举投资先进封装设备。根据市场研究公司 Yole Development 的数据，英特尔和台积电分别占据 2022 全球先进封装投资的公司 32% 和 27%。三星电子排名第四，仅次于台湾后端工艺公司 ASE。

英特尔已经在 2018 年推出了名为“Foveros”的 3D 封装品牌，并宣布将把这项技术应用到各种新产品中。它还设计了一种将每个区域组装成产品的方法，将其制作成tiles。2020 年发布的一款名为“Lakefield”的芯片就是采用这种方式制成的，并安装在三星电子的笔记本电脑中。

台积电最近也决定使用这项技术生产其最大客户 AMD 的最新产品。英特尔和台积电非常积极地在日本建立了一个 3D 封装研究中心，并从 6 月 24 日开始运营。

三星也在这个市场发力，在 2020 年推出了 3D 堆叠技术“X-Cube”。三星电子晶圆代工事业部总裁 Choi Si-young 在 Hot Chips 2021 上表示正在开发“3.5D 封装”去年六月。半导体行业的注意力为零，三星的这个工作组是否能够找到一种方法，使得三星与该领域的竞争对手保持领先。

随着前端节点越来越小，设计成本变得越来越重要。高级封装 (AP) 解决方案通过降低成本、提高系统性能、降低延迟、增加带宽和电源效率来帮助解决这些问题。

数据中心网络、高性能计算机和自动驾驶 汽车 正在推动高端性能封装的采用，以及从技术角度来看的演变。今天的趋势是在云、边缘计算和设备级别拥有更大的计算资源。因此，不断增长的需求正在推动高端高性能封装设备的采用。

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