Rapidus 攜手 IBM 攻克多閾值電壓 GAA 晶體管關鍵技術，2 奈米量產再進一步
- Kimi
- 3月31日
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隨著人工智慧（AI）與高效能運算（HPC）的快速發展，半導體產業正面臨前所未有的技術挑戰與市場需求。為了在這場全球競爭中脫穎而出，日本新創晶圓代工企業 Rapidus 與美國科技巨頭 IBM 攜手合作，於 2024 年底在國際電子元件會議（IEEE IEDM）上展示了多閾值電壓（Multi-Vt）全環繞閘極（GAA）晶體管的研發突破。這項技術被視為實現 2 奈米製程量產的關鍵里程碑，也讓 Rapidus 向著其 2027 年量產的目標更進一步。
日本半導體復興的希望：Rapidus 的雄心
Rapidus 成立於 2022 年 8 月，是日本政府與產業界聯手打造的半導體國家隊，肩負振興日本半導體產業的重任。該公司由索尼（Sony）、豐田（Toyota）、NTT、NEC、軟銀（SoftBank）、Denso、鎧俠（Kioxia）及三菱 UFJ 銀行等八大企業共同出資 73 億日圓，並已獲得日本政府高達 1.7 兆日圓的補助。此筆資金將用於支持 Rapidus 在北海道千歲市興建的 IIM-1 晶圓廠，目標於 2025 年 4 月啟動 2 奈米試產，並在 2027 年實現量產。
Rapidus 設立的宗旨，便是要「跳過」中階製程，直接挑戰最先進的 2 奈米技術，企圖與全球晶圓代工龍頭台積電（TSMC）、三星電子（Samsung Electronics）與英特爾（Intel）一較高下。會長 東哲郎（Tetsuro Higashi） 曾表示，這是日本半導體產業重返全球舞台的「最後機會」。日本在 1980 年代曾主宰全球半導體市場，但在邏輯晶片領域落後已久，目前最先進技術僅停留在 40 奈米，與領先者相差十餘年。
社名來源與「Mt. Fuji Project」
「Rapidus」這個名稱源自拉丁文「迅速（rapid）」，象徵該公司追求突破及效率的企業文化。更早在 2020 年 12 月，Rapidus 內部為了研討如何將 IBM 所研發的 2 奈米 GAA 電晶體引進日本，便成立了「Mt. Fuji Project」。這項計畫後來演變為 Rapidus 的重要基礎。公司 LOGO 中的綠色山峰，即是象徵「富士山計畫」對日本半導體復興的意義。
技術突破：多閾值電壓 GAA 晶體管
隨著製程微縮進入 2 奈米節點，傳統 FinFET（鰭式電晶體）架構已逐漸難以滿足更高效能、更低功耗需求，全環繞閘極（GAA）技術成為新一代主流。GAA 透過讓閘極材料完全包覆通道，能在性能與能耗間取得更佳平衡。然而，其複雜度也帶來不少難題，尤其是在「多閾值電壓（Multi-Vt）」的實作上，需要更精準的蝕刻與曝光流程。
多閾值電壓：為了同時因應低功耗裝置與高效能應用，先進晶片內部需混合不同的閾值電壓電晶體，令其在高低電壓下皆能高效運作。
通道間距更窄： 在 2 奈米中，N 型與 P 型半導體通道的距離已低於 40 奈米，必須極度精準的光刻技術，才能確保性能與良率。
在本次 IEEE IEDM 期間，IBM 與 Rapidus 共同發表新式的 選擇性減少層技術（SLR，Selective Layer Reductions）。他們透過 SLR1、SLR2 對應薄膜與厚膜蝕刻時的「側蝕（undercut）」問題，成功在極狹窄的 N-P 邊界下，同時滿足高閾值電壓（Vt_High）與低閾值電壓（Vt_Low）結構。IBM 研究院高級技術人員 包如強（Bao Ruqiang） 表示，這項技術不僅簡化了製程，也提高了可靠度，可望讓 Rapidus 更順利地邁入 2 奈米晶片的量產。
從實驗室到量產：挑戰與策略
深度合作：超過 400 個研究項目
自 2022 年底正式簽署技術授權協議以來，Rapidus 與 IBM 在美國紐約州 Albany NanoTech Complex 進行了約 400 項合作研究，涵蓋 GAA 晶體管架構、蝕刻流程、曝光控制以及後續量產導入的所有關鍵環節。根據日經新聞報導，Rapidus 已派遣 140 名以上工程師常駐當地，與 IBM 團隊密切合作。
IIM-1 廠房：「修羅場」的設備安裝
Rapidus 在北海道千歲市興建的 IIM-1 晶圓廠，是其 2 奈米製程落地的核心。2024 年 12 月，Rapidus 接收日本境內首台 ASML EUV 光刻機 TWINSCAN NXE:3800E，並計畫於 2025 年 3 月底前安裝超過 200 台設備，4 月正式啟動試產。社長 小池淳義（Atsuyoshi Koike） 將這段密集調校稱為「修羅場」，強調從設備調校到製程驗證都極具挑戰。
商業模式：RUMS 服務與短交期策略
相較於台積電、三星等大廠聚焦大規模量產，Rapidus 採取名為 「RUMS」（Rapid and Unified Manufacturing Service） 的策略，將設計、製造與先進封裝整合在同一體系下，承諾能提供比競爭對手 「快 66%」的交貨時間。
RUMS 強調：
「一體化」（設計、前道製程、後道封裝測試）
「客製化」（針對 AI、HPC、車用等多元應用領域）
「快速交付」（縮短設計到量產時間）
Rapidus 近來積極洽談客戶，包括美國無晶圓廠大廠 博通（Broadcom）、日本 AI 新創 Preferred Networks等，都傳出可能合作意向。
資金壓力與市場考驗
Rapidus 預估，研發與量產 2 奈米晶片至少需要 5 兆日圓；然而，扣除日本政府 1.7 兆日圓補助與最初八大企業出資的 73 億日圓，仍有 4 兆日圓以上缺口亟待填補。雖然日本政府近期再度追加 8025 億日圓投資，但要持續吸引民間資金，仍得證明技術能及時量產且能獲得穩定客戶訂單，否則龐大的資本投入恐難回收。
此外，先進製程競爭對手如台積電、三星、英特爾皆已投入龐大資源衝刺 2 奈米。台積電預計 2025 年底量產 2 奈米；三星則於移動端與 HPC 領域同步發力；英特爾亦計畫在 2026～2027 年問世更先進的節點。面對技術門檻與市場競爭，Rapidus 仍需證明自家良率、產能與交期能與業界龍頭抗衡。
全球競爭下的日本賭注
對日本而言，Rapidus 不僅是技術復興的象徵，更關係到經濟安全與產業供應鏈自主。隨著 AI、大數據、車用半導體等需求激增，確保最先進邏輯晶片的在地生產能力，將成為日本在國際舞台維持競爭力的關鍵。Rapidus 會長東哲郎曾強調：「日本落後其他國家十多年，這是最後的翻身機會。」
然而，成功之路絕非坦途：技術突破後，尚需在量產良率、客戶開發、資金後援等方面全力衝刺。未來幾年，Rapidus 在北海道 IIM-1 廠房的試產過程，將是一場高風險、高成本的「修羅場」。若能順利跨越，或可為日本半導體產業奠定新的里程碑，再現「護國神山」的榮耀；若失敗，恐將再次錯失翻身良機。
2025 年 4 月的試產時程、6 月可能交付的第一批 2 奈米原型晶片，以及 2027 年量產計畫，都是全球業界關注的關鍵時點。Rapidus 能否透過其 RUMS 模式與 IBM 技術支援，開啟日本先進製程「超車」之路，值得持續觀察。