4 半导体森林
——共生与共进化

半导体是战略物资。那么，围绕技术霸权展开的游戏，谁会是胜者？地缘政治风险不断增加，世界的前景变得越来越不明朗。

我们是否可以不去争夺霸权，而是通过推进民主化，把半导体变成世界的共享资产，使之成为全人类的共有财富，从而创造出更加多样化的芯片，引领世界走向繁荣呢？

这个答案的线索似乎隐藏在地球的生物多样性中。

在白垩纪（距今约1.45亿年至6600万年）之前，生物的种类只有现在的1/10。

然而，花的出现彻底改变了地球。 ^[8]

花不再仅仅通过风来传播花粉，还能借助昆虫来传播花粉。原本只是被昆虫单方面吃掉的植物，开始利用昆虫传播花粉，情况随之发生了巨大的转变。

为了吸引昆虫，花需要争相展现出鲜艳的色彩，昆虫则需要提高飞行能力以适应花的不同形状。这就是共进化，即两者相互推动彼此的进化，循环往复。

于是，森林变得丰富多样，以花为食的昆虫带来了哺乳动物的多样性进化，花授粉后所结出的果实被灵长目动物食用，也带来了灵长目动物的进化。

最终，花获得了新的能力。

那就是加速世代交替的速度。 花减少了从授粉到受精所需的时间，从一年缩短到几个小时。这加速了所有生物的进化过程。

y＝a（1＋r） ⁿ

这是复利计算的公式，其中r代表利率，n代表投资次数。即使本金a较小，只要坚持长期投资，将来投资带来的价值就会大幅增加。

如果将n替换为1/t，这个公式就变成了数字经济的基本公式，其中t是开发周期。这个公式既适用于芯片性能的提升，也适用于公司的成长。

换句话说，高速循环且不断进行改进，是数字经济的成长策略。比提高改进率（r）更重要的是增加改进次数（n），也就是缩短开发周期（t）。

这就是为什么需要采用敏捷开发。

生物在进行严酷的生存竞争的同时，彼此之间会跨越种群进行复杂交互，通过互助来生存发展，从而共生与共进化。可以说，在这个过程中，最关键的钥匙就是敏捷的快速迭代。

如果我们把上文的“植物”改成“芯片”，把“昆虫”改成“芯片用户”，再把“森林”改成“生态系统”，那么读起来会是什么样的呢？那些从竞争转向共生和共进化的半导体之“花”又是什么呢？

平安厅的宴会正处于高潮。主持人的虚拟化身邀请小提琴家叶加濑太郎上台。在人们的智能手机中，几千亿个晶体管正在进行着数百万次开开关关的操作。 ^[9]

“接下来，我将为大家演奏《另一片天空》。飞机上也使用了大量的半导体。”叶加濑太郎的话，引发了现场观众的笑声。每次听到《蓝色狂想曲》时，我就会想起空中旅行。但这一次，我只想起了过去两个月里忙碌的海外出差生活。

9月19日：在比利时IMEC与其首席执行官吕克·范登霍夫（Luc Van den hove）会谈。

9月24日：在纽约的IBM研究院与其院长达里奥·吉尔会谈。

9月26日：在奥尔巴尼纳米技术综合体（Albany NanoTech Complex）与IBM的半导体总经理穆凯什·卡雷等人交换意见和信息。

9月28日：在普林斯顿大学进行研究交流。

10月5日：在加州大学伯克利分校进行研究交流。

10月6日：在劳伦斯·伯克利国家实验室进行研究交流。

10月10日至14日：加入日本政府的美国代表团，访问美国商务部等。

10月31日：参加国际半导体产业协会的国际贸易伙伴会议（ITPC），参加关于人才培养的小组讨论会。

11月7日：在IMEC技术论坛上宣布d.lab与IMEC的合作。

11月29日：与d.lab的赞助成员一起访问位于日本筑波的台积电日本子公司的3D IC研发中心。

当晚在平安厅聚集的人，在过去两个月中，很多与我有过多次见面交流。建立互相协作的网络是当务之急。

坐在我旁边的经济产业省的金指寿课长说：“我马上要和美国商务部开会，先走了。”

“辛苦了。”

叶加濑太郎在我面前演奏了《情热大陆》。

终于要开始了。

[1] 有数字化和横向一体化滞后等涉及战略的因素。
垂直整合是一种商业模式，从产品的开发到生产、销售，从上游到下游的过程全部由一家公司进行整合。横向一体化则是另外一种商业模式，其中产品的核心部分由自己的公司制造，其余部分则外包。
半导体业务本质上是垂直整合的。这是因为它要求从设计到制造进行综合优化。然而，20世纪80年代，专用逻辑芯片ASIC的诞生以及设计和制造的接口——EDA和PDK（工艺设计套件）的创建，使横向一体化成为可能。
在工厂建设所需的资本不断增加的情况下，1987年，专业代工厂台积电成立。台积电通过消除与客户的竞争关系赢得了客户的信任，将成功的要素归结为“在合适的时间、合适的地点正好被需要的合适的商业模式”（《华尔街日报》，2021年6月19日）。
像存储器等通用芯片仍然采用垂直整合的模式。而近年来，由于逐渐难以实现逻辑芯片的微缩，晶体管结构也发生了重大变革，变为FinFET或GAA，这使得设计和制造的共同优化（DTCO）成为迫切需求。我们可以将其类比为在白色画布（工厂）上无法自由绘制图画（设计），因此必须准备与要画的图相匹配的画布。构建制造生产线，成为与客户共同合作的工作。但这样的合作只能在少数大客户之间实现，这增加了工厂的经营风险。因此，商业模式是需要不断修正的。

[2] 半导体技术，毫无疑问，是支撑数字化、脱碳以及确保经济安全的关键技术。
半导体是一种具有介于导体和绝缘体之间性质的物质，能够控制电流。1947年，晶体管被发明出来，它的名字来源于在输入和输出之间的传输电阻。晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一原件。通过精确的控制，晶体管可以放大信号，也可用作开关。将半导体开关大规模集成在一起就构成了逻辑芯片。
在半导体出现之前，真空管被用于电子电路。真空管通过加热电极使电子放射到空间，并控制电子的流动，但电极会逐渐变细，最终像灯泡一样熄灭。半导体在固体内部无须加热即可控制电子流动，因此具有高耐久性。芯片是固态电路。
半导体的制造涉及多个供应商，交货可能需要几个月的时间。半导体短缺类似于交通堵塞中无法突然加速或停车一样。满负荷的生产线无法立即适应需求变化。半导体被应用于各种与电有关的产品。即使像用于汽车雨刷控制这样的低价半导体发生短缺，也将导致汽车无法制造完成。半导体供应短缺会对经济产生重大影响。这也是半导体被视为经济安全保障战略物资的原因之一。

[3] 为了进一步推动这种有助于增强地方经济活力的投资，我们在最近的追加预算中新增了1.3万亿日元的预算。
半导体产业的投资竞争日益激烈。美国通过了一项法案，在未来5年内将拨款527亿美元。作为回应，中国政府宣布了在未来5年内投入超过1万亿元的对策。欧盟也公布了一项将在2030年之前投入430亿欧元的法案。在日本，半导体相关的预算是，2021年度为7700亿日元，2022年度为1.3万亿日元左右，这些都被列入了经济产业省的追加预算。
正如本书所述，半导体的开发需要持续的投资。日本政府也在考虑制定框架，以持续不断地支持半导体产业。这其中包括基于《经济安全保障推进法》的框架，以及公债[暂时称为“GX（Green Transformation）经济转型债”]的框架。
《经济安全保障推进法》于2022年5月在日本国会获得通过，并确立了关于“特定重要物资”获得稳定供应保障的基本方针。半导体也被列为“特定重要物资”。私营企业可以制订“特定重要物资”等稳定供应计划，并经相关部长认定后获得国家政策的支持。
另外，关于公债的框架，为了实施面向2050年“碳中和”的绿色增长战略，将经济和社会的产业结构从以化石燃料为中心转向以清洁能源为中心，彻底改革经济社会体系，日本政府于2022年7月成立了GX执行会议。在此框架下，建立推进GX所需的公债框架，并考虑未来资金的保障，目前相关讨论正在进行中。半导体既被视为战略物资，也被期待成为推进绿色增长的重要物资。

[4] 此外，Rapidus还将与欧洲的IMEC合作，以期在21世纪20年代后期实现大规模量产。
IMEC是全球最先进的半导体研究机构，雇用了2700名研究人员，拥有800名博士研究生。尽管IMEC不授予学位，但IMEC为研究人员提供了最先进的试制线和评估设备。除了欧洲的鲁汶大学外，IMEC还吸引了来自世界各地的研究人员和学生。
在IMEC进行的技术试制和评估会在全球范围内得到广泛传播。因此，有550家企业提供大量的共同研究资金，并派遣顶尖研究人员到IMEC进行合作。IMEC总收入的80%来自海外企业。这些收入被用于投资人才和设备。
IMEC的成员虽然是利益代表，但是不能参与管理。人数不多的高管会与来访成员单位进行交流，听取他们的需求，并灵活且迅速地满足他们的需求。他们负责收集市场需求，然后由全球人才组成的团队将其付诸实践。也就是说，IMEC拥有丰富的生态系统，吸引着全球的智慧，并通过“共生”和“共进化”创造创新（参见第六章专栏“IMEC强大的秘密”）。

[5] 建设数据驱动型社会——社会5.0所需要的高算力。
根据日本内阁府发布的《第五期科学技术基本计划》，社会1.0是狩猎社会，社会2.0是农耕社会。第一产业，即农林水产业是劳动密集型的，“勤勤恳恳、踏踏实实工作”是成功的关键。
社会3.0是工业社会，社会4.0是信息社会。第二产业，即制造业是资本密集型的，“做大就是优秀”是成功的关键。日本实现了工业化，但大量消费增加了环境负担，限制了增长，并扩大了社会差距。另外，在发达国家，人口减少已经成为一个问题。
即将到来的社会5.0是以人为中心的社会。第三产业，即服务业是知识密集型的，“共同贡献智慧”是重要的。知识创造价值，全民参与的社会，是追求包容性的社会。包容性指的是“完全包容的”，即使我们每个人都有许多不同之处，如种族、性别等，但是在一个社会中，只要这些差异得到承认，每个人都能获得知识，并获得平等的机会。这样的社会就叫作包容性社会，有时也被称为共生社会。

[6] 负责计算的通用处理器的能效在过去10年内仅仅提高了几十倍。
微细化可减少电路中的电容元件，从而降低功耗。逻辑芯片每隔两年就进行一次世代交替，可以减少约30%的电力消耗。换句话说，在10年内可以将电力消耗降低到现在的17%左右。通过微细化和设计上的创新，电力效率得到了1个数量级的改善。
芯片消耗的电力会转化为热量释放出来，如果冷却跟不上，电路的一部分将不得不被临时切断电流。被切断电流的部分被称为“暗硅”（Dark Silicon）。随着微细化的进行，暗硅的比例也在增加，在5纳米工艺下甚至可能达到80%。这意味着尽管可以集成更多的晶体管，但能够使用的功能和性能可能仅限于部分。因此，电力效率的提升将有助于提高性能。
逻辑芯片不断进行着世代交替，从40纳米、28纳米、20纳米、16纳米、10纳米、7纳米、5纳米一直到3纳米。而日本的工艺在40纳米就停滞不前了。目前，位于熊本的台积电工厂正在努力实现从28纳米到16纳米的制造。而2纳米技术将是从16纳米基础上开始计算的第五代工艺，相较于16纳米，其电力效率将提高1个数量级。如果能在相同的电力下使用，性能将提高至原来的10倍，反之，如果保持相同性能，电力消耗则减少为原来的1/10。Rapidus之所以将最先进的2纳米工艺定为生产目标，其中一个原因就在这里。此外，Rapidus还计划跳过失去的FinFET时代（从16纳米到3纳米），直接进入2纳米开始的GAA时代，以实现技术的追赶。

[7] 通过3D集成，我们可以将数据传输距离缩短接近1个数量级，从而大大减少数据传输所消耗的能量。
当物体受到重力作用而下落时，势能转化为动能，通过摩擦和碰撞变成声音和热量，从而消耗能量。同样，电子随着电场移动时，电路的电阻产生热量，从而消耗能量。
微细化可以减少芯片内所需的电荷量，但不能减少芯片间数据传输所需的电荷量。将封装在不同封装材料中的芯片堆叠在一起，可以将数据传输距离缩短到原来的万分之一。这将大大减少数据传输所需的能量消耗。
我们可以通过在后工序中堆叠芯片来实现实用化，但最终在前工序中直接连接晶圆或芯片也将成为可能。前工序和后工序正在逐渐融合为一体。

[8] 然而，花的出现彻底改变了地球。
花的出现引发了植物和昆虫之间的“共生”和“共进化”，森林变得丰富，动物繁衍，灵长目动物也获得蓬勃发展。（引自NHK特别节目《超进化论》中有关植物的信息）。

[9] 在人们的智能手机中，几千亿个晶体管正在进行着数百万次开开关关的操作。
通过在电源和地线之间连接工作方向相反的两种开关，从而形成一个栅极。当将低电压（以下简称为“0”）输入栅极时，电源端的开关将打开，地端的开关将关闭，从而从栅极输出高电压（以下简称为“1”）。同样，当将高电压（1）输入栅极时，将从栅极输出低电压（0）。
将第二个栅极的输出连接到第一个栅极的输入，并将其输出返回到第一个栅极的输入，就能将1存储在第一个栅极的输出中。这样就可以创建内存。通过巧妙地设计电流路径，即电路，可以实现信息的存储和计算。
通过对图像传感器输出的数字信息进行类似的数字处理，我们就可以拍摄照片和存储照片。
智能手机集成了数千亿个晶体管。假设其中的1%被使用，那么在现场的100台智能手机中，就会有数千亿个半导体的开关动作。在每秒10亿次的时钟同步下，如果数次时钟脉冲下就有1次开关动作的话，那就相当于每秒都有数亿次的开启和关闭。 t5mHUnpL/qrnmvnlvveSRtul3IpJVXQhkV6EF9jGDFuiHB/eh8WURjEi7cZE7Bz0