《電子技術(shù)應(yīng)用》
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2nm那么難,日本成嗎?

2022-09-07
作者: 湯之上隆
來源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察
關(guān)鍵詞: 日本 2納米 邏輯半導(dǎo)體

  美國(guó)于近日確立了促進(jìn)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體生產(chǎn)的法案“CHIPS and Science Act(CHIPS法案)”,,但三星電子(Samsung Electronics)、SK海力士(SK Hynix)等韓國(guó)半導(dǎo)體廠家是否接受美國(guó)政府的資金援助,還是未知數(shù),。

  此外,日本政府為新設(shè)半導(dǎo)體工廠的企業(yè),,提供補(bǔ)助金,,這筆補(bǔ)助金被用在了臺(tái)灣TSMC的熊本工廠、鎧俠(原東芝存儲(chǔ)半導(dǎo)體)&美國(guó)西部數(shù)據(jù)(以下簡(jiǎn)稱為“WD”)的四日市工廠,。但是,,即使以上企業(yè)獲得了日本政府的資金補(bǔ)助,日本的半導(dǎo)體全球市占率也不會(huì)有所提高,。

  另外,,日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省曾發(fā)布新聞稱,在2024年之前日本和美國(guó)合作研發(fā)2納米邏輯半導(dǎo)體,,并計(jì)劃在日本量產(chǎn),。而筆者認(rèn)為,這是完全不可能的,,簡(jiǎn)直是天大的笑話,!

  筆者將在下文中詳細(xì)分析以上問題。下文為筆者最初的感想,。

  對(duì)于美國(guó)的“以本國(guó)利益為中心的政策”,,可能會(huì)引起其他國(guó)家半導(dǎo)體背離美國(guó)。(或許美國(guó)是為了把補(bǔ)助金僅支援給英特爾等美國(guó)本土半導(dǎo)體廠家,。)

  同時(shí),,即使日本的“不諳世事”的“職業(yè)官僚們”確立強(qiáng)化半導(dǎo)體生產(chǎn)的方案,也不會(huì)有任何效果,。此外,,甚至日本政府還提出了“日本要在2025年開始量產(chǎn)2納米”等極具搞笑意義的方案,筆者認(rèn)為這是非?;?。真是一樁世界級(jí)的丑聞,筆者真心希望不要確立以上法案,。

  美國(guó)試圖通過“CHIPS法案”強(qiáng)化半導(dǎo)體生產(chǎn)

  為了強(qiáng)化美國(guó)本土的半導(dǎo)體生產(chǎn),,2022年8月9日,,美國(guó)總統(tǒng)拜登簽署“CHIPS法案”,該法案正式生效,。美國(guó)試圖通過此法案強(qiáng)化美國(guó)半導(dǎo)體生產(chǎn),。在美國(guó)設(shè)有半導(dǎo)體工廠和研發(fā)(R&D)中心的TSMC、三星電子,、SK海力士到底是不是應(yīng)該接受美國(guó)政府的援助呢,?

  該“CHIPS法案”指出,投資共527億美元(約人民幣3636億元)用于美國(guó)的半導(dǎo)體生產(chǎn)和研究開發(fā),,明細(xì)如下,,投資約390億美元(約人民幣2691億元)用于吸引外資赴美建半導(dǎo)體工廠(其中20億美元用于支援車載、國(guó)防系統(tǒng)等方向的傳統(tǒng)型半導(dǎo)體生產(chǎn)),,132億美元(約人民幣910億元)用于研究開發(fā)和培養(yǎng)人才,,5億美元(約人民幣35億元)用于國(guó)際信息通信技術(shù)安防和半導(dǎo)體供應(yīng)鏈。

  可以享受以上資金補(bǔ)助的半導(dǎo)體廠家如下圖1所示,。美國(guó)英特爾(Intel)計(jì)劃分別在亞利桑那州,、俄亥俄州投資200億一一300億美元(約人民幣1380億元一一2070億元),用于建設(shè)生產(chǎn)處理器的工廠和Foundry工廠,。受到美國(guó)政府邀請(qǐng)的TSMC在美國(guó)亞利桑那州投資120億美元(約人民幣828億元),,用于建設(shè)5納米Foundry工廠。對(duì)TSMC“緊追猛趕”的三星電子也不甘落后,,在美國(guó)德克薩斯州投資170億美元(約人民幣1173億元),,用于建設(shè)尖端Foundry工廠。此外,,SK海力士集團(tuán)計(jì)劃投資約220億美元(約人民幣1518億元)在美國(guó)建設(shè)半導(dǎo)體研發(fā)中心和封裝測(cè)試相關(guān)工廠,。

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  圖1:有望享受美國(guó)“CHIPS法案”補(bǔ)助金的半導(dǎo)體廠家。

 ?。▓D片出自:jbpress)

  據(jù)英特爾透露,,假設(shè)美國(guó)政府共有100億美元的支援計(jì)劃,我們可以獲得30億美元的補(bǔ)助,。因此,,以上半導(dǎo)體廠家都在試圖獲得“CHIPS法案”中的補(bǔ)助金。

  “CHIPS法案”補(bǔ)助金的利害

  要說,,美國(guó)將527億美元(約人民幣3636億元)的補(bǔ)助金投入到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)后,,美國(guó)的半導(dǎo)體生產(chǎn)能否得到改善呢?回答這個(gè)問題之前,,先看看另外一個(gè)問題,。美國(guó)“CHIPS法案”中明確提到,“CHIPS法案”是為了削減成本,、創(chuàng)造更多就業(yè)機(jī)會(huì),、強(qiáng)化半導(dǎo)體供應(yīng)鏈,、與中國(guó)抗衡??梢钥闯鲈摲ò笌в忻黠@的“保護(hù)性質(zhì)(Guardrail)”,。

  依據(jù)該法案,如果TSMC,、三星電子,、SK海力士一旦享受美國(guó)“CHIPS法案”的補(bǔ)助,將無法在以下中國(guó)工廠進(jìn)行投資,,TSMC南京工廠(40納米一一16納米,,生產(chǎn)邏輯半導(dǎo)體)、三星中國(guó)西安工廠(3D NAND),、SK海力士中國(guó)無錫工廠(DRAM)和中國(guó)大連工廠(原屬于英特爾,,3D NAND)。

  其中,,TSMC中國(guó)南京工廠份額在TSMC集團(tuán)的占比較小,;而三星電子西安工廠生產(chǎn)的3D NAND占三星集團(tuán)的約40%,;SK海力士大連工廠生產(chǎn)的3D NAND占其30%、無錫工廠生產(chǎn)的DRAM占其50%,。

  因此,,一旦三星電子和SK海力士一旦享受了“CHIPS法案”的“福利”,將無法對(duì)位于中國(guó)的存儲(chǔ)半導(dǎo)體工廠增加投資,,不僅無法生產(chǎn)出最先進(jìn)的存儲(chǔ)半導(dǎo)體,,連擴(kuò)產(chǎn)也無法進(jìn)行。這對(duì)存儲(chǔ)半導(dǎo)體而言,,是“致命打擊”,!

  可能會(huì)有讀者問:“必須要接受美國(guó)的補(bǔ)助金嗎”?對(duì)于在成本極其高昂的美國(guó)建設(shè)半導(dǎo)體工廠,、研發(fā)中心的企業(yè)而言,,不接受數(shù)十億美元的補(bǔ)助,簡(jiǎn)直是一個(gè)“沉重的打擊”,!

  此外,,美國(guó)“CHIPS法案”中還規(guī)定了其他更苛刻的條件。

  美國(guó)試圖進(jìn)一步壓制中國(guó)

  如今,,美國(guó)把中國(guó)大陸最大的Foundry工廠放入其EL實(shí)體清單,,禁止向其出口可生產(chǎn)10納米以下半導(dǎo)體的相關(guān)設(shè)備。因此,,荷蘭ASML的最尖端的可用于10納米以下細(xì)微化加工的EUV曝光設(shè)備無法向其出口,。不僅僅是中國(guó)大廠,,SK海力士也無法在無錫工廠將EUV設(shè)備應(yīng)用于尖端DRAM的生產(chǎn)。

  據(jù)2022年7月6日彭博社報(bào)道,,不僅僅是EUV光刻機(jī),,美國(guó)政府正試圖對(duì)荷蘭ASML和日本尼康施加壓力,以禁止他們向中國(guó)出口ArF液浸光刻機(jī),。

  此外,,據(jù)2022年8月1日彭博社報(bào)道,為了阻礙中國(guó)生產(chǎn)28納米半導(dǎo)體(其實(shí)是16納米/14納米以及以上代際),,美國(guó)政府已經(jīng)向美國(guó)的設(shè)備廠家發(fā)出正式文件,,禁止他們向中國(guó)出口相關(guān)設(shè)備。從上述報(bào)道來看,,未來美國(guó)的“禁止出口范圍”很有可能波及到美國(guó)應(yīng)用材料公司和日本東京電子株式會(huì)社,。

  因此,不論TSMC,、三星電子,、SK海力士是否接受美國(guó)政府“CHIPS法案”的資金補(bǔ)助,都將無法在中國(guó)工廠進(jìn)行投資,,同時(shí)都將陷入困境,。

  總而言之,美國(guó)是希望對(duì)中國(guó)進(jìn)行徹頭徹尾地出口限制,。美國(guó)如此嚴(yán)格的限制很有可能引起臺(tái)灣地區(qū),、韓國(guó)的半導(dǎo)體廠家對(duì)美國(guó)失去信心。筆者認(rèn)為美國(guó)的出口限制過于嚴(yán)格,、過于考慮美國(guó)利益,!

  日本政府頒布法案支援半導(dǎo)體工廠建設(shè)

  人們普遍認(rèn)為日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省依據(jù)下圖2,制定了半導(dǎo)體支援政策,。下圖2在日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省“半導(dǎo)體·數(shù)字化產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略(日本政府于2021年6月4日公布)”網(wǎng)站的“半導(dǎo)體戰(zhàn)略”文件第七頁,。

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  圖2:日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省制定半導(dǎo)體支援戰(zhàn)略的依據(jù)。

 ?。▓D片出自:jbpress)

  如上圖所示,,1988年日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)全球占比50.3%,2019年下滑至10%,,照此發(fā)展下去,,到2030年將會(huì)萎縮至0%。對(duì)此,,經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省倍感危機(jī),,為了防止日本半導(dǎo)體占比的低下,確立了為新建半導(dǎo)體工廠提供資金支持的法案。2021年12月20日,,日本參議院全體會(huì)議中,,執(zhí)政黨多數(shù)贊成并通過了次法案。

  基于該法案,,日本政府于2022年6月17日決定對(duì)TSMC熊本工廠最大支援4760億日元(約人民幣280億元),。此外,日本政府還在2022年7約26日決定對(duì)鎧俠和WD的四日市工廠給與最大929億日元(約人民幣55億元)的資金補(bǔ)助,。然而,,還沒有決定是否對(duì)鎂光的廣島工廠進(jìn)行資金援助。

  那么,,對(duì)TSMC熊本工廠,、鎧俠和WD的四日市工廠進(jìn)行資金援助后,日本的半導(dǎo)體全球占比真的會(huì)提高嗎,?

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  圖3:日本政府針對(duì)新建半導(dǎo)體工廠,,給與資金補(bǔ)助。

 ?。▓D片出自:jbpress)


  能否通過補(bǔ)助金,,提高日本的半導(dǎo)體全球市占率?

  TSMC熊本Foundry工廠,,28/22納米一一16/12納米邏輯半導(dǎo)體方向晶圓的約產(chǎn)能為5.5萬片,。如果委托TSMC生產(chǎn)的的芯片設(shè)計(jì)公司(Fabless)都是日本企業(yè),那么日本的半導(dǎo)體全球市占率有望相應(yīng)地提高,。

  但是,日本幾乎沒有Fabless企業(yè),。從SEMILINKS這一半導(dǎo)體相關(guān)網(wǎng)站來看,,日本的Fabless僅有70家左右。此外,,幾乎沒有任何關(guān)于這些企業(yè)的產(chǎn)品介紹,、產(chǎn)品信息,可以說,,在日本從事芯片設(shè)計(jì)的Fabless企業(yè)僅有以下五家企業(yè):Thine電子株式會(huì)社(Thine Electronics,Inc.),、Mega Chips株式會(huì)社(MegaChips Corporation)、Mega Design Net株式會(huì)社(Magna Design Net, Inc.),、Logic Research株式會(huì)社,、索喜株式會(huì)社(Socionext)。(另外,,美國(guó)和臺(tái)灣地區(qū)有數(shù)百家Fabless企業(yè),,中國(guó)大陸有近3000家。)

  那么,究竟是什么樣的企業(yè)會(huì)委托TSMC熊本工廠生產(chǎn)邏輯半導(dǎo)體呢,?由于索尼和電裝是熊本的股東,,這兩家可能會(huì)成為其客戶。但是,,這兩家客戶的訂單應(yīng)該無法填滿月產(chǎn)5.5萬片的產(chǎn)能,。在TSMC熊本工廠月產(chǎn)5.5萬片的晶圓中,最多1萬一一2萬片是提供給日本客戶,,剩余部分應(yīng)該是提供給其他諸多海外客戶,。盡管TSMC熊本工廠的“原始資本金”來自于日本的稅收,而卻不一定優(yōu)先為日本客戶供貨,。

  那么,,鎧俠和WD的四日市工廠又如何呢?鎧俠&WD分別投資50%的設(shè)備生產(chǎn)NAND,,生產(chǎn)的NAND也是各取50%,。鎧俠是日本企業(yè)、WD是美國(guó)企業(yè),。因此,,即使對(duì)鎧俠和WD的四日市工廠予以補(bǔ)助,對(duì)提高日本半導(dǎo)體占比的貢獻(xiàn)也僅有50%,。

  綜上所述,,即使日本政府對(duì)TSMC熊本工廠、鎧俠和WD的四日市工廠予以資金補(bǔ)助,,也不會(huì)提高日本半導(dǎo)體全球市占率,。(即使稍有提高,也是微乎其微,。)

  日本政府宣布量產(chǎn)“2納米”,,簡(jiǎn)直是可笑至極

  2022年7月29日,日本經(jīng)濟(jì)新聞報(bào)道稱,,日本和美國(guó)在量產(chǎn)半導(dǎo)體方面展開合作,,日本和美國(guó)兩國(guó)政府于7月29日在美國(guó)首都華盛頓召開首次“經(jīng)濟(jì)2plus2”會(huì)議,會(huì)議中提到日本和美國(guó)共同研發(fā)2納米半導(dǎo)體,,日本在年底之前成立“新一代半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)中心(臨時(shí)名稱)”,,計(jì)劃在2025年于日本國(guó)內(nèi)量產(chǎn)2納米半導(dǎo)體。

  至此,,日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省已經(jīng)制定了多個(gè)令人無法理解的政策(所以日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)才一片混亂),,“日本和美國(guó)合作研發(fā)2納米半導(dǎo)體,日本自2025年開始量產(chǎn)2納米半導(dǎo)體”一一這真是令人驚訝,、震驚,、不可思議,!簡(jiǎn)直是一條愚蠢至極的策略,日本半導(dǎo)體行業(yè)的相關(guān)人員不禁要問:“這樣的政策真的可以實(shí)施下去嗎”,?(那么,,日本政府可能會(huì)說:“政府不插手了”,但是,,媒體在號(hào)召大家進(jìn)行評(píng)論,,所以筆者發(fā)表一下自己的見解。)

  由于日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省似乎是在很認(rèn)真地發(fā)布了以上政策,,真讓人頭疼,!8月10日在赤坂Inter City Conference召開了“Flash Forward Japan 存儲(chǔ)半導(dǎo)體·改革·座談會(huì)”,日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省商務(wù)信息政策局總務(wù)科西川和見科長(zhǎng)做了名為《Current state of the art in semiconductors in Japan》的主題演講,。(下圖4)

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  圖4:日本和美國(guó)合作研發(fā)2納米,,日本自2025年開始量產(chǎn)2納米?,?出自:西川和見(日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。禖urrent state of the art in semiconductors in Japan》,、“Flash Forward Japan 存儲(chǔ)半導(dǎo)體·改革·座談會(huì)”,,2022年8月10日。

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  那么,,為什么日本量產(chǎn)2納米半導(dǎo)體是可笑至極呢?(雖然很難解釋,,但筆者還是要說明一下,。)

  2納米半導(dǎo)體難在何處?

  所謂半導(dǎo)體的“微縮化”,,指的是每一代際縮小約70%,。如下圖4所示,日本自45納米以后就不再有進(jìn)步,。45納米以后為32納米、22納米,、16/14納米,、10納米、7納米,、5納米,、3納米、2納米,。(西川先生的資料中遺漏了32納米和10納米,,筆者進(jìn)行了補(bǔ)充。)

  自45納米(日本可以生產(chǎn))到2納米,共跨越了九個(gè)代際的微縮化,,這究竟有多難呢,?

  首先,微縮化每發(fā)展一個(gè)代際,,肯定會(huì)出現(xiàn)諸多問題,,為解決這些問題,需要進(jìn)行多次試錯(cuò)實(shí)驗(yàn),。在28納米/22納米之前,,晶體管的形狀為“平面型(Planner)”,16納米以后為FinFET,,2納米以后為GAA(Gate-All-Around,,全環(huán)繞柵極晶體管),之所以有這么大的變化,,是因?yàn)椴桓淖兙w管結(jié)構(gòu),,無法實(shí)現(xiàn)人們期待的性能。此外,,隨著微縮化發(fā)展,,出現(xiàn)的問題也是各式各樣。

  比方說,,在2015年之前以為被視為“微縮化頭號(hào)玩家(Top Runner)”美國(guó)英特爾在2016年無法順利從14納米過度到10納米,,在后來的五年里,10納米的啟動(dòng)一直不順利(如下圖5),。去年(2021年)Patrick Gelsinger就任英特爾第八代CEO,,并將10納米命名為“Intel 7(i7)”、7納米(采用了最先進(jìn)的EUV曝光設(shè)備)改為“Intel 4(i4)”,。如今英特爾正在為實(shí)現(xiàn)i4而努力,。

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  圖5:邏輯半導(dǎo)體和Foundry廠家的技術(shù)藍(lán)圖。

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  TSMC和三星在同一時(shí)間(2019年)啟動(dòng)7納米,,后來,雖然僅僅能看到6納米,、5納米,、4納米、3納米等一系列數(shù)字的進(jìn)步,,但5納米以后的良率很難提升,,而且TSMC的3納米采用了GAA構(gòu)造,因此TSMC在3納米代際陷入絕望,,果斷進(jìn)軍2納米,。

  即使是獨(dú)享最尖端技術(shù)的TSMC,,雖然曾經(jīng)每?jī)赡旮嬉粋€(gè)代際,但3納米并未能按計(jì)劃啟動(dòng),,耗費(fèi)了兩年半的時(shí)間,,在2022年下半年,終于迎來了量產(chǎn)關(guān)鍵期,。2納米代際晶體管采用新型GAA,,進(jìn)入量產(chǎn)可能要花費(fèi)兩年半甚至三年的時(shí)間。因此,,2納米的量產(chǎn)時(shí)間最快在2025年,、甚至2026年。

  如果日本“自2025年開始量產(chǎn)2納米”,,那么,,很有可能早于TSMC!從當(dāng)下的45納米,,跨越九個(gè)代際,,比TSMC早量產(chǎn)2納米,這是多么異想天開的方案,!

  不僅僅是“中學(xué)生和大學(xué)生的差距”

  在2022年8月3日的日本經(jīng)濟(jì)新聞“Deep Insight”中,,針對(duì)2納米的難度,Common Data的中山淳史先生做了以下比喻:“Planner型是中學(xué)生,、FinFET是高中生,、GAA是大學(xué)生”。

  而筆者認(rèn)為2納米的難度不止如此,。但是,,偶爾也會(huì)有一些天才少年,直接從中學(xué)跳級(jí)升入大學(xué),,但是,,對(duì)于半導(dǎo)體而言,直接從45納米過渡到2納米,,跨越九個(gè)代際,,是不可能的。

  就半導(dǎo)體的微縮化發(fā)展而言,,每個(gè)代際進(jìn)步70%,,其難度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。20多年前,,筆者曾參與研發(fā)了4M,、16M,、64M,、256M的DRAM研發(fā)和量產(chǎn),。每一代際的研發(fā)都像“走鋼絲”一樣困難。比方說,,研發(fā)從64M過渡到256M時(shí),,由于過于困難,當(dāng)時(shí)甚至出現(xiàn)了“莫非256M是做不到的,?”這樣的想法,。半導(dǎo)體微縮化發(fā)展真的非常困難。

  因此,,下面的比喻可以回答“站在45納米的角度來看,,2納米究竟是什么”這個(gè)問題!日本少年棒球聯(lián)盟的青少年球員一般會(huì)有以下夢(mèng)想:“未來,,成為美國(guó)職業(yè)棒球聯(lián)盟球員,,像大谷翔平一樣投打雙修!”當(dāng)然,,青少年棒球球員懷有夢(mèng)想是好事,。但是,某個(gè)青少年球員希望“在三年后,,進(jìn)入美國(guó)職業(yè)棒球聯(lián)盟,,且投打雙修!”當(dāng)然這是不現(xiàn)實(shí)的,。大家可能會(huì)對(duì)這個(gè)少年說:“先進(jìn)入甲子園,,然后以出色的成績(jī)進(jìn)入日本職業(yè)棒球團(tuán),最后有望進(jìn)入美國(guó)職業(yè)棒球聯(lián)盟,?!?/p>

  45納米和2納米的差距,就像青少年棒球隊(duì)員與隸屬于美國(guó)職業(yè)棒球聯(lián)盟的,、投打雙修的大谷翔平的差距一樣,。

  如何獲得EUV?

  最后,,最后筆者再基于事實(shí)論述為何“日本計(jì)劃從2025年開始量產(chǎn)2納米”是不現(xiàn)實(shí)的,。要量產(chǎn)2納米,其中一款必須的設(shè)備是僅荷蘭ASML可量產(chǎn)的尖端EUV曝光設(shè)備,。

  據(jù)預(yù)測(cè),,在2025年,TSMC擁有100臺(tái)光刻機(jī),、三星有35臺(tái),、英特爾有15臺(tái)(下圖6)。但是,,這三家公司都希望有更多的EUV設(shè)備,。除了以上三家,,SK海力士、鎂光,、南亞等DRAM廠家也都希望購(gòu)買更多的EUV設(shè)備,。

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  圖6:TSMC、三星,、英特爾所擁有的EUV設(shè)備數(shù)量(預(yù)測(cè)),。筆者根據(jù)預(yù)測(cè)值制作了此圖。

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  ASML自2016年開始出貨EUV設(shè)備(下圖7),。2016年出貨5臺(tái)、2017年出貨10臺(tái),,2018年出貨18臺(tái),,2019年出貨26臺(tái),2020年出貨31臺(tái),,2021年出貨42臺(tái),,今年(2022年)計(jì)劃出貨55臺(tái)(但是有消息稱,今年受到零部件供給不足的影響,,出貨量可能停滯在40臺(tái)左右,。)

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  圖7:ASML的EUV設(shè)備出貨數(shù)量(2022年為預(yù)測(cè))。

 ?。▓D片出自:jbpress)

  2020年年中,,未交貨訂單(Open PO,即開口訂單,,收到客戶訂單,,但未能交貨)為56臺(tái),今年(2022年)未交貨訂單達(dá)到了100臺(tái),。

  總而言之,,如今的情況是即使向ASML訂貨,也不一定買得到,?!叭毡咀?025年開始量產(chǎn)2納米”,即意味著日本在2025年擁有EUV設(shè)備,,并熟練使用,。

  有夢(mèng)想的棒球青少年球員即使利用魔法變身成為了大谷翔平,沒有EUV光刻機(jī),,依然無法量產(chǎn)2納米,。筆者很想問問,日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的西川科長(zhǎng)如何看待以上問題點(diǎn)。

  

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