當前業界對 AI、IoT、5G 通信以及高性能計算等的需求不斷攀升，作為現階段最尖端的半導體制造工藝之一，2nm 制程技術已成為行業追逐的目標。

隨著工藝邁向 2nm 節點制程，晶體管結構由沿用多年的鰭式場效應晶體管（FinFET）架構正逐步被全環繞柵極場效應晶體管（GAAFET）架構所取代。

與 FinFET 有所不同，GAAFET 使用柵極材料完全包裹通道，從而帶來更好的電場控制，然而這種架構的改變也隨之帶來新的挑戰，即如何實現多閾值電壓讓芯片以較低電壓執行復雜計算。此外，在 2nm 制程下，N 型和 P 型半導體通道之間的距離十分狹窄，需要高度精確的光刻技術才能在實現多閾值電壓的同時不會對性能產生影響。

對此，IBM 與一家日本半導體公司 Rapidus 通過在構建過程中引入兩種不同的選擇性減少層（SLR）技術解決了這一難題。在上周的 2024 年 IEEE 國際電子設備會議上，IBM 展示了雙方合作開發的“多閾值電壓全環繞柵極場效應晶體管”技術。

據稱，這項技術將在 Rapidus 的 2nm 芯片量產過程中發揮關鍵作用。“與上一代 FinFET 相比，GAAFET 使用的納米片結構復雜度更高，雖然結構復雜，但與早期方法相比，該技術將使芯片的生產制造過程更為簡化，從而讓 Rapidus 更容易可靠地大規模生產 2nm 芯片。”IBM 的一位發言人表示。

據了解，Rapidus 公司成立于 2022 年 8 月，由豐田汽車、日本電裝、索尼集團、鎧俠、日本電信電話、日本電氣、軟銀以及三菱日聯銀行 8 家企業合資成立。在當時，Rapidus 公司獲得了 8 家企業共計 73 億日元投資，以及日本政府提供 700 億日元初始資金。

2022 年 12 月，Rapidus 宣布已經與 IBM 建立戰略合作伙伴關系，共同研發 2nm 節點制程技術；今年 6 月，雙方共同宣布，以聯合開發 2nm 節點制程技術的現有協議為基礎確立了 2nm 芯片封裝量產技術合作伙伴關系，共同開發 2nm 制程芯粒（Chiplet）先進封裝量產技術。這意味著 Rapidus 與 IBM 在 2nm 節點制程領域的合作從前端擴展到后端。

明年試產 2nm 芯片，實現量產還面臨三座大山

在 2024 年日本國際半導體設備及材料展覽會上，Rapidus 公司董事長 Tetsuro Higashi 聲稱對公司 2nm 節點制程的試產線充滿信心。

他透露，“Rapidus 的 EUV 光刻設備將于本月交貨給工廠，此外還有 200 余臺設備陸續交貨。所有設備 2025 年 3 月底前到位，啟動生產 2nm 芯片試產線。”

據了解，Rapidus 位于北海道千歲市的第一座 2nm 芯片工廠已于 2023 年 9 月動工。根據公司規劃，明年 3 月底將完成試產 2nm 芯片所需的全部設備設置工作；4 月啟動試產線開始生產 2nm 芯片；待完成試產后，目標則是在 2027 年 4 月實現 2nm 芯片的規模化量產。

（來源：Rapidus）

近期，據日經新聞報道，Rapidus 公司董事長 Tetsuro Higashi 在接受采訪時稱，“實現生產 2nm 芯片的目標需要克服三個方面的挑戰，量產技術可行性、市場和客戶定位，以及資金問題，尤其是嚴重依賴日本政府的資源。”

具體而言，在量產技術可行性方面，由于日本制造商 40nm 以上的工藝已經實現了大規模量產，Rapidus 選擇跳過中間工藝，直接追求 2nm 工藝被視為一種“魯莽的嘗試”。

但在 Tetsuro Higashi 看來，“由于半導體設備制造商長期以來一直參與先進的半導體技術，而 Rapidus 正在與 IBM 等合作，整合技術和經驗，因此有信心實現 2nm 芯片的量產。”

需要注意的是，5nm 以下的制程工藝離不開 EUV 光刻機，不論研發還是制造都需要從全球唯一供應商 ASML 購買 EUV 光刻機。

在市場和客戶定位方面，從成立之初，Rapidus 就將自身定位為“臺積電的替代供應商”，旨在通過創建專用半導體市場來實現差異化，這與擅長生產大規模和標準化產品的大公司不同。

在 2024 年日本國際半導體設備及材料展覽會期間，Tetsuro Higashi 稱“標準芯片浪費過多能源”，并表示“半導體產品應該從標準化產品轉向為特定應用（比如機器人、自動駕駛和遠程醫療）量身定制的專用芯片。通過技術創新，未來的半導體產品可以將能耗降低到目前水平的五分之一。”

他還預計，“生成式 AI 市場將轉向針對各種算法優化的專用芯片，從而導致市場環境發生巨大變化。”

在資金方面，由于私人投資者認為 Rapidus 實際生產先進芯片的能力存在較高的風險，該公司目前嚴重依賴日本政府的財政支持。

為了實現 2027 年量產 2nm 芯片的目標，Rapidus 預計將需要 5 萬億日元（約合 320 億美元）的資金。目前，該公司的主要資金來源是連續三個財年政府提供的 9200 億日元補助金，然而這一數字距離 5 萬億日元還存在較大資金缺口。

日本首相等官員曾多次強調，政府計劃在 2030 財年前撥款 10 萬億日元支持半導體和 AI 產業發展，以刺激民間投資，其中對 Rapidus 的支持是這一政策的重點。

然而，如果 Rapidus 繼續完全依賴政府支持，其可能會成為一家國有企業。日本業界和媒體擔心國有半導體公司可能成為成本高昂、效益有限的企業。對此，Tetsuro Higashi 強調，“雖然 Rapidus 目前主要依賴政府支持，但最終目標是實現獨立。”

未來幾年，Rapidus 的目標是增加私人資金的比例，尋求通過銀行貸款或私人股東增資的方式為工廠建設提供資金，目標是讓約一半的設備投資來自私人股東。

今年以來，日本政府加大了對 Rapidus 的支持力度。據日本經濟產業省的計劃案顯示，日本政府計劃在 2025 年度對 Rapidus 投資 2000 億日元。

當然，不同于此前的“補助金”，投資能讓日本政府以出資者的立場加強對運營的參與和監督，從而更易于發揮治理功能；此外，計劃案還提到，日本政府計劃在 2027 年 10 月對 Rapidus 進行“實物出資”，使用政府資金興建的工廠、設備等資產與公司股票進行交換。

參考資料：

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