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日本为什么着急重振半导体？芯片制造从40nm直接跳到2nm，日本咋想的？摩尔定律即将终结，芯片技术发展将走向何方？为什么时间成本会越来越重要？AI将在半导体发展中扮演什么角色？为什么不要芯片战争？......
提到日本半导体，想到的总是那么些关键词：失落的三十年、广场协定、上游材料的王者......
在过去30年几乎沉寂的日本半导体，在最近两年异常活跃。最瞩目的就是8家日本领先企业联合成立的半导体制造商Rapidus，直接剑指2nm，意图与台积电和三星对抗。
日本正将一切押注于半导体复兴。
今年，克里斯·米勒的《芯片战争》成为了半导体圈的热书，而在海对岸的日本，有一本书和《芯片战争》一起被放在了书架最瞩目的位置，那就是黑田忠广的《半導体超進化論》。
作者黑田忠广是东京大学研究生院电气工程和系统科学系教授，曾就职于东芝、庆应大学以及加州大学伯克利分校，现为东京大学教授，是日本半导体复兴计划的关键人物，有媒体称其为3D堆叠技术第一人。
日本复兴半导体：直冲2nm
日本半导体产业几乎休眠30年，在芯片制造技术方面落后于台积电和三星约10年，目前处于40nm工艺节点。
在先进制程落后的紧迫感下，日本8大巨头公司在去年8月合体创办了Rapidus ，与IBM合作开发 2nm技术，以便在日本建造一座或多座晶圆厂进行生产。
能理解日本想要在先进制程上发力的目标，但上来就要量产2nm，谁给他的底气？
或许日本自己也很难说底气是什么，更多的是不得不做的紧迫，这是他们的“背水一战”。
全球半导体市场预计将以每年 8% 的速度快速增长，到 2030 年，市值规模可能达到目前的两倍，市场总值将超过100万亿日元。日本半导体企业的全球市场份额在 1988 年曾高达 50%，但现在跌到仅剩 10%。过去20多年以来几乎处于“休眠状态”，在这种形势下，日本决定以国家命运为赌注，将其押注到半导体产业的复兴上。
日本的半导体复兴需要什么？
仅靠固有的策略很难挽回失去的 30 年，预见竞争舞台并提前投资成为了关键。为此，作者在第二章《卷土重来》中提出了目前产业的3个变化。
首先，产业主角的更替。逻辑芯片的主战场正从通用芯片转向专用芯片。背后有3个原因：随着数据的急剧增长以及AI处理的复杂化，能源危机正在加剧；AI 的出现将用电效率提高10倍以上；半导体产业结构分工化，企业可以根据自己的业务模型，自主开发专用芯片。
其次，市场的波动。每四分之一个世纪，就会有大波动冲击半导体市场，比如之前的家用电器、PC和智能手机，日本只抓住了第一波。即将来临的第四波浪潮是通过使用传感器、AI 和马达使网络空间和物理空间高度融合，也就是利用“数字孪生”技术来创造以人为中心的社会，也就是“社会 5.0”。
第三，技术的范式转变。一种是从冯·诺依曼架构转向神经网络，另一种是从微细化转向3D集成，芯片的微细化已经接近极限，3D 集成可以大幅度减少数据传输的能耗。
并且，以上三个变化本质都是能源问题，能源消耗的急剧增长是由半导体引起，因此解决这个问题的关键也在半导体，就是要提高半导体能源效率。
提高能源效率的关键，作者提出了两点：微细化技术和3D集成。
微细化方面的行动代表就是Rapidus。比起台积电“应有尽有”的产线，Rapidus只在短时间内，以小批量的方式，生产全世界最先进的产品。从 2 nm工艺开始提供代工，只使用最先进的 3 代工艺技术。
就算在日本业内，也有很多人质疑Rapidus的策略，这样会不会太冒进了？
作者表示看好Rapidus的战略。首先，最先进的技术是有利可图的，事实上台积电最赚钱的部分就是来自其最先进的技术。
过去，即便是最先进的技术也要靠低价竞争来盈利，现在，最先进入市场的玩家逐年减少，成为一个寡头市场。但是，最先进芯片的需求始终存在并且扩大，先入场的玩家便有了议价的底气。
其次，5nm市场已经被台积电、三星和英特尔完成了折旧，他们想阻止新玩家入场很容易。而2nm采用的是GAA技术，而不是5nm和3nm的FinFET技术，与其期待“旧技术”可以给自己累经验，不如直接从“新技术”的起点开始重新崛起。
此外，与其和代工大厂竞争，不如将目标瞄准他们无法覆盖的小批量订单，只要能快速进入市场，就能够与大厂共存，形成互补。并且，有期待这种服务的客户存在。
3D集成是除了微细化之外提高能效的另一个关键。
从日本目前的情况来看，微细化方面，日本已经远远落后于世界上最先进的技术，需要向海外学习；3D集成方面，日本在3D集成中用到的材料和制造设备的基础技术方面尚且具有众多优势。
专用芯片开发周期长且资金耗费大，如果能制造出可编程自动设计芯片的硅编译器，或许就能快速开发硬件。自动设计的性能或许只有80分，但是能将开发效率提高5倍，也是可以接受的。
2019-2020年，东京大学先后建立了合作中心d.lab和技术研究组织RaaS（先端系统研究组织），意与Rapidus互补，共同将能源效率和开发效率提高10倍。
能源效率方面，Rapidus 追求微细化，而东京大学追求 3D 集成；开发效率方面，Rapidus选择缩短生产周期，而东京大学则研究如何缩短设计周期。
芯片技术的未来将如何发展？
“摩尔定律已死。”
近年来无数人对这个芯片发展的“黄金铁律”发出质疑。摩尔定律确实已经逼近极限，有些人继续向微细化探索，称之为“深度摩尔”，有些人则开始关注其他方面的新价值，称之为“超越摩尔”。
作者的选择是后者。在摩尔定律即将终结之际，他认为不去选择传统技术路线上的延伸，而是选择破坏性的技术并研究如何将其实用化是即将迎来的巨大机遇。
芯片发展当前的挑战是性能改进所面临的限制，当电力，即发热达到极限时，无论将电路集成到何种程度，都无法进一步提高性能。每单位电力的处理性能，即电力效率，将决定摩尔定律的命运。
微细化的一个副作用是导致半导体元件的耗电增加。减少电力消耗的策略有三个: 降低电压，降低电容，以及减少开关次数。针对上述三个方面，人们对材料、工艺和结构进行了改革。
1）从2D到3D
当数据的快速增长撞上冯·诺依曼瓶颈，芯片间的通信成为了能量效率降低的重要因素，因为数据的传输要比运算消耗更多的能量。
芯片的计算性能每年提高70%多，如果想要充分利用提高的芯片性能，每年芯片间信号传输速度要提高44%。但事实上，每年芯片间通信速度只能提高28%。
如何弥补这个缺口？
缩短存储器和处理器的连接距离，并增加连接数量，以合理的速度进行信号传输。也就是说，通过堆叠芯片进行短距离连接，并利用整个面以适当的速度进行通信，这就是芯片从2D进化到3D的原因。
硅通孔TSV与磁耦合通信TCI技术，便是在此趋势下诞生的新技术。
2）从横向到纵向
3D集成是从内存开始的，首先是堆叠两块DRAM的HBM，然后是4块、8块、12块。他们都是平铺叠放，称之为煎饼型。
但理论上还有一种堆叠可能。那就是竖立起来堆叠，称之为切片面包型。
事实上，切片面包型比煎饼型更具优势。首先，散热更容易；其次，通信更容易。
3）同步设计与异步设计
要提高芯片的性能，需要精细的定时设计。需要计算元件制造差异、电源电压和温度变化对逻辑电路的信号传播延迟的影响，以及计算生成时钟时的波动和分配时的时差。
现在使用的同步设计的成本和浪费突显，所以，人们正在重新考虑过往不可用的异步设计。
虽然异步设计比同步设计使用更多的晶体管和布线，但是比起同步设计的浪费，应该还是赚到了。
作者原以为7nm就会实现异步设计，但FinFET技术让晶体管的性能远超预期，所以并未实现。由于晶体管的结构改革还在持续，所以异步设计可能还需一段时间才会得到应用。
1959年，物理学家理查德·费曼提出，“底部还有很大空间”，随后，微电子学诞生。今天，作者面对即将到极限的摩尔定律，他说，“顶部还有很大发展空间”，也就是说，让更多人参与开发芯片更重要。
目前，只有大公司才能开发专用芯片，因为一直以来产业体系都是为了能够大规模量产而搭建的，成本绩效是半导体行业最受重视的指标。但现在，“时间绩效”也很重要。
首先，社会正在从资本密集型向知识密集型转变，智慧创造价值，推动了数字化创新，半导体从成本低廉的零部件变为协助建设社会的重要工具；其次，半导体已经从工业的基础设施转变成了社会的基础设施。这也就意味着半导体更多进入了机器人、通信等产品， 而这些产品不会被企业轻易更换。
此外，作者还提到了敏捷开发、硅编译器、芯片自动化设计平台等多种解决方式，都将为芯片开发，尤其是耗时长、成本高的专用芯片开发带来新的可能性。
“不要芯片战争”一位日本半导体研究者的心声
“适者生存。”
达尔文提出进化论已经过去了160多年，而最前沿的科学正在揭示更隐秘的进化机制：支持与合作。
作者曾在某电视节目中看到了“超进化论”的观点。
50亿年前的地球，陆地是一片荒凉的大地，大约4亿年前，植物覆盖了大地。到了白垩纪，一样东西的出现，让陆地生物种类数量剧增，那就是——花。
花利用花粉吸引昆虫，然后给予昆虫花粉，并通过昆虫散播花粉，也就是说，它们建立了“共生”关系。而在此之前，植物只会单方面被昆虫捕食。
然后，花与昆虫开始互相影响，互相因为对方进化，一切开始蓬勃发展。
这种隐藏在竞争下的共生，更能保持生命的延续，而这就是半导体产业发展的关键。
半导体大厂是一棵树，比树更重要的是底下培育生命的土壤，以及由无数棵大树聚集而成的森林。
一套半导体制造设备由超过10万个零部件组成，相比之下， 一辆汽车的零部件大约只有3万个。并且，每台设备的10多万个零部件的清单都不同，供应商也种类繁多。
因此，围绕半导体，形成了一个具有多层次，跨越多行业的巨大网络。此外，半导体制造流程复杂，需要供应商、制造商和用户随时互相配合，互相支撑，互相调整，可以说就像是森林的生态系统一样。
公众往往只看到大树，媒体只关注大公司的兴衰。真正支撑大公司的是丰富土壤，也就是工业生态系统网络的力量，日本在半导体制造设备和材料方面的强大就在于此。
这也是台积电选择在日本熊本建厂的原因，熊本是老工业用地，就有那样的土壤。
日本半导体产业一直在致力于培养互帮互助，互相紧密连接的“森林”，现在这种努力正在吸引世界。
伴随着台积电熊本新厂而来的，是各种各样的附属投资，以及带动了日本材料和设备的供应商的支持，这棵巨大树木的出现，让地下的网络重新焕发生机。
因此，作者在第六章《超进化论》中提出，半导体新时代的关键词是：国际合作、国际人才流动、网络、共生和进化。
早在20年前的2003年，作者便开始为此努力。时任日本庆应大学教授的作者黑田忠广、韩国KAIST大学教授柳会俊以及清华大学教授王志华便达成共识：未来世界的集成电路行业的重心将移向亚洲，未来亚洲的青年人将在世界集成电路行业中起着重要作用。
为此，他们三人共同创办了一个中日韩三所大学在校研究生参与的、小型闭口式的学术研讨会——KKT Workshop，日本庆应大学、韩国KAIST大学以及清华大学每年轮流举办一次，现已持续了20多年。随着作者转至东京大学，现庆应大学学生转为东京大学学生。
“不应该煽动芯片战争，应该构建芯片网络。”作者提出了自己对于半导体产业未来的期望。
日本半导体是否能凭借Rapidus“复活”，尚且未知。但“一切终于要开始了”。
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