台積電在日本設廠之後——2奈米邏輯製程在日本

台積電在2021年10月14日宣布將在日本設立第一座工廠,其透過日本政府以及客戶的支持,2022年開始在熊本縣建置22-28 奈米的特殊製程工廠,此為日本政府開始推動半導體戰略復興的重要步驟。

日本經產省首先在2021年3月24日召開了第一次半導體、數位產業戰略檢討會議,其後執政黨自民黨也於5月21日成立了推進半導體戰略議員聯盟,由前首相安倍晉三與前任副首相麻生太郎擔任了最高顧問,在總部舉行了首次會議,該聯盟計畫向政府建議提供供應鏈與美國合作,提高日本企業競爭力的對策。

為何日本需要推進半導體戰略?

近年來除了主要美中貿易戰、科技戰打亂了目前半導體貿易供應鏈(link is external)(註一)的秩序外,台灣與歐盟政府也大力支援國內半導體產業,而且經過2021年車用晶片缺貨的震撼,上述幾大因素讓日本政府正視半導體晶片的重要性,特別是中國與韓國政府對已成戰略物資的晶片業加碼投資補助,更是讓日本政府有如芒刺在背。

日本半導體戰略檢討會議對策為強化日本國內產業基礎、共同開發先進製程技術,於日本設置先進邏輯代工廠。其中包含加速數位投資、提倡半導體製程技術之綠色創新以及採用第三代半導體材料(SiC、GaN、Ga2O3) 同時為加強製造商之能力,透過包含管理、人力資源的國際合作,動員財政、稅收和制度等促成半導體業務擴張和結構調整。

以外、會議中亦提及國際經濟安全戰略,充分理解支援全球半導體生態系統(ECO system)並發揮關鍵作用、利用日本所擁有的優勢─「材料」、「製造裝置」技術及供應鏈,並推進對策來提升這些技術。並透過與美國以及台灣、歐洲等擁有共同目標之國家進行產業合作,促進國際共同研究和開發。

日本經產省隨即於5月31日宣布,將對台積電在3月發佈計劃在日本設立的完全研發子公司「TSMC Japan 3DIC R&D Center」研發據點提供補助,總事業費約370億日圓中、日本政府將補助約一半(補助190億日圓)的費用,之後也將在位於筑波市、經產省轄下的研究機構「產業技術總合研究所」的無塵室內設置研究用產線(測試產線)。

經產省表示,上述測試產線將在今年夏天以後開始整備、並預計在2022年開始著手進行研究,而Ibiden等約20家日本企業也將參與,和台積電攜手研發最先進的半導體製造技術。在此同時,前述推進半導體戰略聯盟甘利明表示,為強化日本半導體產業,日本企業應該找海外企業合作,合作對象首推台灣台積電,稱日本若自己搞半導體產業絕對沒路,且沒打算找中國與韓國合作。

日本半導體史

在分析此政策前得先回顧日本的半導體歷史,半導體曾經是日本的驕傲,在二戰後電晶體還是美國剛起步的新興技術時,當時有個年輕人看到電晶體將會是日本戰後百廢待舉所需重建的關鍵力量,遠赴美國學習新知並帶回日本發揚光大,這個日本半導體的先驅就是SONY的創辦人盛田昭夫。

SONY過去透過電晶體發展出WALKMAN隨身聽打響了自己在全球的第一炮,除了電晶體外,半導體其他的邏輯積體電路與記憶體發展更是隨後跟上,在DRAM由IBM發明後,日本透過優異的品質以及更快的研發容量速度將包含Intel在內的美國廠商打的滿地找牙。

Intel 創辦人安迪、葛洛夫(Andy Grove)曾經提到當年從DRAM轉型到微處理器的過程,當年Intel的營收接近9成都是DRAM產品,但淨利只有不到1成是DRAM的產品,葛洛夫問另一個創辦人高登、摩爾(Gordon Morre也就是摩爾定律的發明者):如果你是董事會,看到這種狀況你會怎麼做? 摩爾回答:找新的經營階層並關了DRAM事業。 於是,Intel史上第一次的轉型大計開始,退出記憶體事業並全力發展新興的微處理器,也就是後來個人電腦的CPU事業。

90年代初期是日本半導體發展的顛峰,當年筆者還在念電機科系閒暇組裝電腦時,同學互相討論選用的電腦零組件,在選用DRAM顆粒品牌時,就是以NEC的DRAM最為優秀,退而求其次則是其他日系廠牌,最糟糕(便宜)的才是選用韓系品牌,當年日本DRAM在全球的地位就有如今天半導體的台積電一樣,是品質與效能的保證。

DRAM除了效能、容量等明顯的競爭力外,也需要做可靠度的測試。例如DRAM出場前在晶圓級的CP測試,以及在封裝後的FT測試,其中品質可靠度更需要做高低溫的燒機測試。測試的越嚴謹則保固的時限就越久,90年代的日本DRAM廠商甚至首先做到顆粒可以終身保固。

只是好景不常,在90年代達到高峰後,日本的半導體地位就一路下降,會造成日本半導體衰敗的原因很多,經產省歸納了幾個原因:日美半導體協議,設計與製造分離商業模式太晚、甚至總體經濟的泡沫導致研發投資環境不足都是日本長年來衰敗的原因。



圖一說明了日本半導體在過去35年來全球市佔率節節敗退,在台灣有許多人誤解並誇大了美國在日本半導體敗退過程中所扮演的腳色,美國控告日本半導體傾銷所簽訂美日半導體協議並沒有讓美國的廠商在全球的地位起死回升,而日本消失的市佔率更不是由美國拿走而是被當年品質差的韓國廠商所拿走, 更關鍵的是在美日協議關稅落日後的2000年後,日本在全球的半導體市佔率依然節節敗退(如圖一)。

同是製造業為什麼TOYOTA行、半導體業不行?

日本汽車製造業在全球市佔率數一數二,尤其是TOYOTA的品質與耐用更是享譽國際,為何日本的汽車業數十年來在全球地位屹立不搖,但半導體卻不行? 主要原因就是在於終端應用的產品特性。汽車業所講求的就是品質、安全與耐用。日系車在全球消費者眼中就是這類特質的翹楚,但終端消費資通訊電腦產品呢?

90年代DRAM主要的應用就是個人電腦,而個人電腦的壽命遠遠不及汽車。作業系統平均3到4年就改朝換代(Win3.1 Win95 Win98),一旦新的作業系統問世需要更快的運算能力,基本上等於重新買一台新的個人電腦。

不只軟體、當年硬體的更新更快,DRAM 與控制器之間協定(Protocal) 也是晶片組常變化的主角,而當年的DRAM控制器並非像今日一樣內建在CPU內,而是在主機板的晶片組中,而新的晶片組伴隨新的DRAM協定誕生(Page/Fast Page/EDO/SDRAM)常常導致舊的DRAM不能再使用。

而在2000年後,行動裝置手機與物聯網裝置的興起不但沒有放慢DRAM更換的速度,反而更加速了半導體的汰換速度,想想看,有多少人一兩年就換一支手機?換言之,半導體終端消費的應用特性讓日本的品質至上的民族專業優勢毫無用武之地。
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