日本半导体,没有希望?
日本半导体还行不行?这样的发问注定得不到一个明确答案,说行的话,把日本硕果仅存的铠侠、瑞萨和索尼绑一块,都很难和全球半导体TOP 5相提并论;说不行吧,2022年,日本政府又找了几个本土大公司搞出了Rapidus,立志要在2025年前搞定2nm,拳打台积电,脚踢英特尔。
不过,当日本人谈起半导体时,他们一边惋惜于如今本国半导体的失意,一边却又会缅怀上世纪80年代那段极尽辉煌的时期——日本取代美国成为半导体领头羊,而主要的五家半导体企业更是主宰了全球市场。
但上帝仿佛和日本半导体开了一个小小的玩笑,极尽繁荣的短暂时光过去后,立刻就是快速衰败,在90年代中后期,半导体重心又迅速转移至韩国和中国台湾,进入千禧年之后,日本半导体仿佛就成了一个局外人,曾经的五巨头接连离场,留下的只有失望与迷茫的从业者。
而曾经在世纪之交诞生的尔必达(Elpida),希腊语中的“希望”,日本人心中象征着国旗的日之丸半导体,它的轰然倒下更是成为了许多人心中无法抹去的痛。
转瞬即逝的黄金年代
日本半导体能够在80年代崛起的原因有很多,而其中最重要的当属由日本通产省在1976年牵头发起的“VLSI联合研发计划”,其中政府出资320亿,企业界筹集400亿日元,共耗资720亿日元,以五家半导体巨头为核心,联合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,开始向超大规模集成电路DRAM发起进攻。
曾经竞争激烈的东芝、三菱、日立、富士通、NEC在政府的牵头下,罢手言和,开始在各自的优势领域中发挥力量,与研究所一同攻克技术难题,推动日本半导体产业的整体发展。
这场浩浩荡荡的研发计划,最终以日本先于美国研发64K集成电路、256k动态储存器,完成对美国技术的赶超而告终,奠定了日本在 DRAM 市场的霸主地位,而政府+企业+科研机构的这套“官产学”的模式,也被许多国家奉为圭臬,在发展产业时有所借鉴和学习。
而最需要注意的是,日本半导体此时能够称霸全球市场,不仅仅是靠着一个大家一起砸钱的模式,而是用高质低价的DRAM产品,敲开其他国家的大门,用产品来说服企业。
80年代初期的存储市场和今日不同,最大的用途和需求均来自大型机,一台大型机通常花费数亿日元,一旦启用就会持续工作数年,而存储一旦出现故障问题,就需要花费大量时间和成本进行检修,这就导致大型机对DRAM的可靠性要求非常高,当时大型电脑制造商以及日本电报电话公共公司(现为NTT)要求“制造不会出故障的DRAM”,其技术标准是,大型电脑要有25年质量保证,电话总机要有23年质量保证。
而日本半导体行业在80年代就形成了一套建立可靠性的技术方法,他们没有选择在检查阶段去剔除有缺陷的产品,而是从根源上解决问题,重新思考设计制造过程,以不生产有缺陷的产品为前提,这套方法不仅提高了产品的可靠性,而且提高了成品率,最终促进了生产效率提升,让日本半导体企业得以源源不断地输出廉价的DRAM产品。
1980年,NEC的工程师在美国的技术杂志上发表了How Japanese Manufacturers Areach High IC Reliability(日本厂商如何实现IC的高可靠性)一文,同一年日本电子工业协会在美国展开研讨会,来自惠普公司的负责人承认,日本所生产的DRAM产品质量远高于美国本土厂商。
80年代,美国半导体协会曾对美国和日本的存储芯片进行质量测试,期盼能找到对手的弱点,结果却发现,美国最高品质的存储芯片比日本最差质量的还要糟。
半导体市场最终还是要靠产品来说话,物美价廉的日本存储芯片,在80年代用自身的优势确立了霸权,而今天如雷贯耳的英特尔、AMD、德州仪器等美国硅谷公司却一筹莫展,在市场中节节败退乃至最终关停存储业务。
不过,日本的官产学模式同样启发了美国半导体行业,既然日本通产省做得了初一,那么美国的相关机构也能做得了十五,美国公司开始寻求那双看得见的手的帮助。
但他们并没有像日本一样寻求资金上的援助,而是鼓吹特洛伊木马式的威胁论,他们认为日本公司最初的目标是接管计算机内存,然后会吞并微处理器业务,再之后是低端计算机(即台式机),最后是高端计算机即大型机的业务。
当然,这种办法非常有效,1986年初,美国裁定日本DRAM存储芯片存在倾销,要征收100%的反倾销税,随后日本通产省和美国商务部签订了第一次《美日半导体协议》,有效期五年。
协议中最重要的一部分是引入了价格监控系统(Fair Market Value),根据批量生产的规模,在制造成本上加上适当的利润,而产品不得以低于以这种方式确定的价格销售,这对于当时的日本DRAM厂商来说,并不算彻底的坏消息,前面已经提过,由于精益求精的生产方式,让生产良率大幅提升,反过来又让生产成本大幅下降,而已经确定的高可靠性又不会受到价格影响,所谓价格监控系统,拉高DRAM价格,其实反而会让日本厂商赚得更多的钱。
倘若市场中只有美国和日本,且DRAM产品应用范围始终局限在大型机中,这样的推导完全可以成立,日本依旧可以继续当半导体行业的霸主,可惜事实并非如此。
1979年,韩国三星正式进军DRAM市场,建立了具有16K DRAM能力的VLSI晶圆厂,它曾尝试从国外引进技术,连续遭到美国德州仪器、摩托罗拉、日本NEC、东芝、日立等公司的拒绝,最终从美光处拿到了64K DRAM的技术授权,之后几年当中,三星从日本半导体产业中大量挖取专业人才,同时投入大量资金兴建晶圆厂,攻关DRAM相关技术。
1992年,三星率先推出全球第一个64Mb DRAM,正式超越日本企业。
但在1992年之前,日本就已经有败退的迹象。日本厂商身上还背负着《美日半导体协议》和反倾销税,而几乎没有受到美国制裁的三星反而一身轻松,宁可举债亏本也要硬闯DRAM,凭借更低廉的价格来抢占市场,再加上广场协议的签订,日元大幅升值,出口半导体大受影响,最终让日本DRAM价格优势不再。
而在日本引以为傲的良品率和可靠性上,由于80年代中后期个人电脑的崛起,早已没有之前那么重要了,大型机可能需要能用25年的DRAM,而个人电脑往往5年就会更新换代,因而相较于日本的高质产品,韩国和美国所生产的更廉价的DRAM迅速占领了个人电脑市场,在市场竞争中先日本一步。
可能会有人觉得,既然美国与韩国能够生产廉价而质量不够可靠的产品,那么日本同样也可以这么做,为什么反而受到了制约呢,吃惯了山珍海味难道还不能吃糠咽菜了吗?
答案也很简单,因为日本半导体厂商原来的客户仍然要求着高品质,以汽车为例,只要皇冠汽车还在运转,丰田会向半导体厂商提出需求,而车规级的品质又绝非个人电脑那么简单,一方面是庞大的新兴市场,另一方面是熟悉的固有市场,同一条生产线,不可能生产出两种不同规格品质的产品。
而日本半导体企业所采用的终身雇佣制,导致针对市场变化的反应迟钝,思路转换也非常缓慢,大量工程师空有一身本领而无用武之地,既无改变的勇气,也无再次创新的实力的日本半导体,只能在这种拉扯中跌跌撞撞地走着,
此时,日本的工匠精神反倒成为了绊脚石,昔日的成功反过来导致了未来的失败,这对于看重技术的日本企业来说,何尝不是一种讽刺呢?
扶大厦于将倾
当时间来到90年代中后期时,日本半导体已经从市场中全面败退,它们既无英特尔和AMD那样制造CPU的能力,也没有像三星和海力士那样迅速迭代技术建立新产线的能力,许多厂商迎来一年又一年的亏损,而日本通产省呢,也不太可能像70年代一样,为重资产的DRAM产业提供大量资金,只是过了不到十年而已,半导体就从香饽饽变成了夕阳产业。
在经过深思熟虑之后,1999年,日本通产省牵头主导,让NEC和日立分别剥离旗下DRAM业务,成立了新公司尔必达,2004年三菱电机的DRAM业务部门也被并入,自此,曾在IC Insights 1993年的全球十大半导体厂商排名中分别位列第二、第五和第八的三家日本半导体厂商的DRAM业务汇集在了一起。
尔必达的诞生,实际上是日本半导体的背水一战,当时的日本业界认为,DRAM作为半导体行业的支柱性产品,此时在整个半导体市场中依旧具有举足轻重的地位,如果能在该领域中再度拿到市场优势地位,日本半导体就有望回到过去的黄金年代,再现当年的辉煌。
此时的尔必达被称为日之丸,代表着日本在千禧年后重振半导体行业的愿景,背负的担子也不可谓不重。彼时的日本媒体还报道称,“拥有强大新技术研发能力的日立”,与“拥有强大生产技术能力的NEC”合二为一,诞生了世界上最强大的DRAM内存制造商,会产生1+1>2的效应,通产省的“理想蓝图”中,日立负责进行技术的研究开发,NEC则专注于批量生产工厂的生产技术,重回DRAM霸主岂不是手到擒来?
现实给了通产省、尔必达以及所有日本半导体从业者一记响亮的耳光,在合并完成的两年后,尔必达在DRAM市场中的份额就从17%跌到4%。
原因很简单,NEC和日立使用的制造设备不同,不能直接转交工艺流程,需要对60%的工序通过基本复制进行重新制作,然后再将此工艺流程交给批量生产工厂进行生产,还有约30%的清洗工序无法转移,说白了两家公司合并完成后,最大的气力不是去研发什么新技术,而是在琢磨怎么磨合不同的产线,空耗财力人力物力做一个无用功,市占率只会一跌再跌。
而NEC和日立两家企业文化差异呢?NEC认为要实现高成品率“首先必须重视统一性”。而日立则是要“用新技术带来一点突破”,之后再考虑统一性。由于生产工序的繁杂,NEC的技术人员数量约为日立的3-5倍左右,这导致的结果就是NEC的做法占据上风,尔必达开始强调在生产工序的不断研发改进,那些喜欢探讨新材料或者新结构、研制新设备的日立员工最终只能被排挤出局。
因而,强强联合只是日本通产省的一厢情愿,实际情况反而变成了1+1<1。
当然DRAM毕竟不是处理器,没有太高的技术门槛,凭借此前的积累,尔必达的产品总是能有一些竞争力的,但更大的问题是,尔必达没钱没粮没资本,凭什么和已经打了十年胜仗的韩美DRAM企业竞争?
彼时电子业遭遇空前萧条,母公司NEC和日立都泥菩萨过江了,压根匀不出钱给尔必达来增加产线和设备,通产省就是个甩手掌柜,把两家撮合一下就拍屁股走人了,尔必达在2002年这会,实际上已经陷入叫天天不应,叫地地不灵的绝境里了。
幸好日本半导体业界还是有些神通广大的人物在的:2002年11月,坂本幸雄上任尔必达的社长,凭借自己高超的手腕,愣是从世界各地筹集了1700亿日元的资金,短暂解决了尔必达没钱的大难题,让虚有其表的工厂换上了全新的制造设备,而DRAM生产也逐渐走上正轨,在好不容易解决了经营层面的问题后,尔必达的DRAM市占率终于出现了回升。
虽说坂本幸雄预见到了智能手机移动市场中所蕴含的机遇,开始大力发展手机的DRAM,也曾让尔必达实现过快速增长,但他始终没有解决一个问题,那就是尔必达的盈利,在他上台前和上台后,尔必达最高不过3%的利润率,与行业龙头三星动辄30%利润率相比,差距大得可怕。
针对这一点,不少文章指出和强调,尔必达利润低是因为重视良品率,学者汤之上隆在2005年时调研尔必达,他表示当时主流的512M DRAM颗粒,尔必达可以把良率做到惊人的98%,而三星只有83%,由此一种观点逐渐形成:尔必达输了市场没输技术,日本的半导体在技术上依旧世界第一。
但这样的观点有失偏颇,举个例子,同样生产100条内存,尔必达交货98条,三星交货83条,但三星仅用时1天,总成本500块,尔必达要用一天半,总成本750块,此时两种生产方法孰优孰劣呢?对于DRAM这样的标准化半导体组件,反复强调良率又有何益处呢?
尔必达实际上陷入了一个怪圈,固执认为只有精耕细作才是半导体技术实力的体现,开着插秧机和收割机的韩国半导体是在浪费“粮食”,殊不知自动化也是技术实力体现的一种。
这并不是坂本幸雄的问题,而是以NEC为主体的尔必达在根子上的问题,擅长量产的NEC系,分工极其细化,即便再小的领域,他们都会做的十分彻底,导致工作量不减反增。为了达到DRAM的高良率,尔必达延续了日本半导体企业昂贵的设备使用习惯,每道工序都设置了专用设备,用着同一台设备,尔必达的晶圆吞吐量只有三星的一半……
诸如这些问题,让尔必达自以为拥有了最先进技术,却始终在亏损的红线上挣扎。
尔必达其实也有过改变自己命运的机会,后期加入的三菱DRAM部门的员工擅长于集成统筹,倾向于用最少的人力、最低的成本、最经济地生产DRAM。这部分员工认为,NEC系所用的DRAM生产方法工序过多、检测过度,用最高的技术来生产PC用的DRAM,但实际上一台机子根本用不到这么好的DRAM。
但在2004年之际,规模更大的日立系员工都已经边缘化,规模较小的三菱系又能有什么作为,整个尔必达就在NEC系的带领下,在高良率低利润率的这条路上狂奔。
2008年雷曼危机来临,而Windows Vista又引发DRAM过剩,高良率低利润率的尔必达被一拳直轰面门,来了次不折不扣的硬着陆,原本的小赚迅速变成大亏,社长坂本幸雄看着满纸的赤字,开始怀疑起了人生。
2009年,在日本经产省(原通产省)主导下,日本通过《产业再生法》修正案,授权日本政府可对拥有国际领先技术、但面临经营困难的民营企业施以援手。2009年6月,尔必达成为新法的首位受益者,获得300亿日元(约合3.7亿美元)公共资金和得到政府担保的1000亿日元(约合12.4亿美元)日本政策投资银行融资。
1300亿日元看着很多,但对于尔必达来说只不过是杯水车薪,因为此时三星已经开始反周期投资,继续大规模增产扩产,DRAM颗粒从1美元的红线一路跌停,来到了0.31美元,家底本就不够殷实的尔必达在外部援助寻求无果的情况下,最终选择了破产保护。
痴人说梦
尔必达倒下了,日本对于日之丸半导体的幻想却从未停止。
2022年,又是日本经产省带头,找来了丰田、NTT、Sony、铠侠、软银、NEC、电装、三菱日联银行等8家日企,共同设立了新晶圆企业Rapidus,目标在2027年左右实现2nm及以下芯片量产,还要为其他公司代工生产芯片。
据悉,八家企业共计出资73亿日元,日本政府提供700亿日元的补贴,Rapidus会长由东京电子公司前社长东哲郎担任,社长小池淳义曾任西部数据日本子公司社长、日立与联电合资的12英寸晶圆厂Trecenti社长等职。
经产省还在同日宣布,年内联合美国建立先进半导体研发中心LSTC,提供约3500亿日元的财政预算,其表示,会在IBM所提供的技术基础上,让LSTC统合日本东京大学等顶尖学术机构进行半导体研究,最后再交由Rapidus进行量产测试。
整体来说,经产省的这套打法就是上世纪70年代“官产学”的变种,只不过这次无论是资金还是技术,产业的存在感都是最弱的,变成了“官学产”模式,同时也不再继续死磕存储了,瞄准了先进制程的晶圆代工,最大的对手变成了台积电和三星。
日本的业界仿佛又看到了曙光,直呼日本半导体即将雄起,日之丸半导体永不坠落云云。Rapidus社长小池淳义也拍着胸脯表示,Rapidus是日本挽回空白10年的“最后机会”。
那么,第三次组成国家队的日本半导体这次真的可以实现历史性的跨越,再度立于时代之巅吗?
首先需要明确的是,日本本土的晶圆代工还停留在45nm制程,距离所谓的2nm节点,需要9代工艺升级,台积电是在2007年量产的45nm,用了16年时间,才在今年完成了3nm的量产,离2nm还有一定的距离,也就是说,Rapidus和LSTC要用四年时间完成台积电16年都没完成的事。
另外,Rapidus的晶圆厂并不是现成的,而是在北海道千岁市重新选址,现在这会要生产2nm芯片的地方还是长着野草的荒地,要到9月才能正式开工建设,完工怎么也得到2024年了,铺设生产线更是直接奔着2025年去了。
这也就是说,Rapidus想的是建完厂房和产线,坐等着LSTC和IBM研发完毕,然后照着图纸开干完事,另外值得一提的是,Rapidus甚至连员工都是个草台班子——截至目前一共就100来号人,其中还不全是工程师。
社长小池淳义倒是自信满满,面对2nm半导体分为1000~2000个工序,需要包括设备操作员在内的约1000名技术人员的现实情况,他在接受采访时强调称,通过AI和自动化等方式,只需一半人员即500人就可应对。
他所说的这500人还不是这两年就招聘完毕,因为日本本土早就出现了技术断层,压根没有这么多合适的人才,只是考虑到和欧洲最大芯片研发机构IMEC合作后,能够获得培养人才的支持,大概要到2027年才能招够这所谓的500名技术人员。
要技术没技术,要人没人,那么在最关键的钱上总该没问题了吧?
很抱歉,Rapidus也没钱,除了前面提到的773亿日元,日本经产省又在后续追加了一部分资金,总计援助约3300亿日元,但2nm的一条试产线就要2万日元,量产线更是要追加到3万亿日元,这3300亿日元也就够建两栋楼和招聘技术人员罢了。
剩下的缺口呢?还是这位小池淳义,说现在就暂且这点钱了,为了在启动量产化的2027年前把钱筹够,会讨论增加出资企业和首次公开募股(IPO),未来会把目光放到海外,在全球寻找值得信赖的投资伙伴。
讲了一堆,实际上Rapidus现在什么都没有,靠一个量产2nm的炒作概念引来了日本经产省,关键是经产省就吃这一套,还真被上钩了,很爽快地就把几千亿日元批了下来。
一家名不见经传的100人小公司说用四五年就能搞出2nm,把英特尔、台积电和三星通通踩在脚下,拿了政府的投资后吃香喝辣,还能大摇大摆地去参加各种会议,接受各路媒体的采访,其他半导体公司做梦都不敢做得这么离谱。
前面提到的技术、人才、资金也不过是晶圆代工的三个前置条件而已,假设Rapidus在几年后真的发生了神迹,搞定了2nm的量产,解决了良品率后,又要给谁代工呢?晶圆代工最重要的就是规模效应,没有苹果这样大规模采购先进制程芯片的终端客户,如果去依靠服务器和超级计算机的客户,所产生的收益是否能盈利都不太好说,之后的制程迭代更是无从保证。
2nm的故事说得好听,但仔细推敲一番,不过是没什么凭据的空中楼阁。
拉丁语中Rapidus的含义是迅速,社长小池淳义一再强调速度,说公司要革现在的“可制造性设计”的命,Rapidus要做“可设计性制造”(MFD),在快速发展的AI与自动化的帮助下,快速开发量产出市场想要的芯片。
Rapidus也可翻译成锐必达,《论语·子路》早就为它准备好了一句话:欲速则不达。光是去强调速度,忽视现实情况,忽视技术差距,最后怎么能抵达曾设想的未来愿景呢?
当80年代日本国家队已经被扫入历史,尔必达(Elpida)代表的希望也早已破灭,只剩一个Rapidus在喋喋不休着2nm、AI、MFD之类的技术名词,这不得不说是一种悲哀。
现在来看,日本半导体因通产省/经产省而兴,用政府的大力干预手段把企业拧在了一块,就像是幼儿园里的老师带着孩子在玩老鹰捉小鸡的游戏,赶走了老鹰后,小鸡虽逐渐成长却未真正独立,一直活在羽翼下的企业又能有多大的竞争力呢?
而经产省和企业却似乎从未反思过这件事,一旦又有半导体的雏鸟嗷嗷待哺,经产省就忙不迭地衔来虫儿喂食,但可惜的是,巢中待哺的鸟儿远不止这一只,总会遇到心有余而力不足的时刻,初长成的雏鸟最终饿毙于风雪。
从昔时的东芝、三菱、日立、富士通、NEC五巨头,到尔必达、东芝、瑞萨三颗青苗,再到如今的视若珍宝的Rapidus,历史总是惊人的相似,倘若日本的半导体企业不能自给自足,自立自强,自己实现大幅盈利的话,那么悲剧只会不断重演。
也正如杜牧在《阿房宫赋》中最后点题的名句一般:后人哀之而不鉴之,亦使后人而复哀后人也。