中国能否跨越半导体设备高墙？

芯师爷|Core master|

2022-03-07 03:29:43 0

全球芯片供应链集中易受重大干扰影响

??当前，台湾IT企业之所以出现前所未有的繁荣景象，是由于2020年秋季以后的多重因素叠加而产生的。大致来看，存在“5G”、“新款iPhone上市”、“美国对华制裁”、“新冠疫情”、“人气游戏机上市”、“纯电动汽车（EV）需求”的6个因素。
??根据市场调研机构TrendForce集邦咨询的数据，2021年全球晶圆代工市场的64%份额都会落在台湾，其中大部分都被台积电占据。换言之，台积电这一家企业就占据了全球过半的晶圆代工市场。就在2020年，美国老牌芯片厂商英特尔以及高通纷纷将更先进制程工艺的芯片代工订单交给了台积电。这也意味着，曾经长期独占产业鳌头的英特尔，如今也淡出了晶圆代工这一环节，将更多的注意力转向了芯片设计等上下游其他环节。
??台湾在半导体产业链关键环节占据近乎垄断的地位，起源于台积电在80年代末开创的晶圆代工模式。当时，成立不久的台积电需要避免与英特尔等行业领军企业正面竞争，于是另辟蹊径，寻求为英特尔代工。短短几年后，芯片代工、或者说晶圆代工就成为了半导体行业的重要分工模式。上游的英伟达、博通以及华为海思等新兴芯片设计企业忙着为各行各业的不同需求打造性能各异的芯片，然后将设计图交给台积电这样的中游晶圆厂进行代工。台积电等企业则利用规模优势，不断降低成本、提升工艺水平，在晶圆代工这个产业链环节精进到*。这种产业链分工模式，降低了设计企业以及代工企业的门槛和研发风险，让不同环节的企业都能专注于自己最擅长的领域。而台积电等台湾企业，正是抓住了产业链转型的时机，迅速*占了市场份额。
??由于需求暴涨，全球芯片供应紧张，迫使德国大众等诸多车企减产。
??对于全球经济而言，台湾的经济体量并不像美国、中国大陆、欧盟等大国那般显眼。半导体产业链的其他环节，比如芯片设计、光刻机、晶圆生产等行业也被美国、荷兰、日本等其他*所把持，台湾并没能控制整条产业链。但是近期德国大众、美国福特、日本丰田纷纷因芯片供应紧张而被迫减产，凸显了全球经济对芯片产业、尤其是对台湾晶圆代工行业的高度依赖。德国总理默克尔、法国总统马克龙最近都对此表态说，欧洲必须要完善自己的芯片产业链，力争在今后不再像现在这样受制于人。而经历过去年台积电在美国压力下被迫断供华为海思之后，中国政府也频频表示要在半导体产业更加自主。日本政府则在寻求让台积电在日本境内投资设厂。
??德国科技政策专家克莱因汉斯（Jan-Peter Kleinhans）在接受彭博社采访时指出，占据了晶圆代工环节过半市场份额的台湾，已经成为了“整个半导体产业链上最为致命的潜在单点故障点”（SPOF，指一个体系中某一个一旦失效就会让整个体系无法运转的环节）。?
??路透报道，美国半导体产业协会（SIA）最新研究发现，由于供应商愈发集中在某些地区，全球半导体供应链变得愈来愈容易受到天灾和地缘干扰的影响。
??目前的全球芯片短缺始于去年底台湾的工厂接单满载，但之后又因日本一家工厂失火、美国德州因寒流急冻而导致电力中断，以及台湾今年严重乾旱，使得短缺问题更加严重。在美国、欧洲及亚洲的汽车工厂，一些生产线因芯片短缺而停摆。
??现代芯片制造涉及一千多个步骤，需要来自*各地的复杂知识产权、工具和化学品。但SIA表示，其发现在供应链上有50多个地方，其中单一地区就占了65%的市场份额。
??举例来说，设计*芯片的知识产权和软件是由美国独占鳌头，制造芯片的关键特殊气体来自欧洲，而最先进的芯片制造则全部在亚洲，其中92%在台湾。
??报告显示，如果台湾无法生产芯片一年，全球电子业营收将少掉将近5000亿亿美元，“全球电子业供应链将会停摆。”
??这项研究也警告，各国政府单打独斗在国内复制供应链的方式并不可行，因为这将令全球耗费1.2万亿美元——光是美国就会耗掉4,500亿美元——导致芯片价格飙涨。
??不过报告也呼吁，某些情况下，可以在缺乏供应链任何部分的区域提供激励措施，以建立“最小的可行产能”。
??以美国与欧洲来说，这意味着建立新的先进芯片厂，以平衡产能集中在台湾与韩国的情况。
??“我们在美国没有足够的半导体制造能力...必须在美国政府的协助下解决这个问题，”该机构首席执行官John Neuffer表示。

全球半导体设备投资：变化和策略

??日经新闻亚洲科技总编山田周平认为，在*半导体供应链中，中国大陆的影响力加强。最近英特尔宣布计划在亚利桑那州新建*工厂似乎是为了避免受到中国大陆的影响。这也有可能成为与包括韩国和台湾在内的亚洲企业争夺主导权的转折点。日本或许也需要重新思考半导体振兴策略。
?? 投资在大幅增加
??美国调查公司IC Insights在3月中旬发布的报告中，分析了美国、中国大陆、欧盟的半导体产业振兴策略。报告估算了中美欧为培育在生产技术和产能方面抗衡三星和台积电的半导体厂商，最低需要的支出“至少需要维持5年每年支出300亿美元”，。实际上，半导体产业由于工厂建设费增加，除了三星和台积电外，其他企业均在投资竞争中略微掉队。
??IC Insights的统计显示，从*半导体厂商的设备投资额来看，2010年以后三星持续排在首位。此前一直*的英特尔现在勉强与台积电争夺第2名。2021年，预计三星和台积电的设备投资占到行业整体的43%。
??也就是说在*半导体产业，过去20年里三星和台积电的垄断逐步加强。近期的车载半导体不足或许就是其弊端之一。针对英特尔3月23日敲定的大型投资，据称中美摩擦是主要原因，同时也是为了追赶三星和台积电。
??另一方面，IC Insights提出的“5年1500亿美元”投资的难度很大。例如，中国大陆在2014年之后政企合作加强半导体产业，但2017-2020年大陆半导体企业的设备投资合计为447亿美元，仅为同期三星的约一半。
??IC Insights的报告针对中国大陆表示，“即使资金不成问题，受中美摩擦影响，也买不到关键制造设备”，预测将陷入苦战。针对欧洲，报告指出欧洲并未显示出参与半导体主导权竞争的意向。
??IC Insights或许认为日本并非半导体行业的主要竞争者，并未在报告中提及日本。日本经济产业省提出了“将吸引海外企业建厂生产*产品”的方针，但台积电决定在茨城县筑波市开设的封装技术研究基地的投资规模明显很小。在地缘政治风险提高的背景下，海外大型半导体企业特意在日本建设大型工厂缺乏现实意义。日本或许应把人才和投资集中于仍有竞争力的半导体制造设备和材料领域，采取锁定优势领域的半导体振兴策略。
?? 投资热潮恐致产能过剩
??路透报道指出，全球各国政府都在资助半导体工厂建设，因芯片短缺困扰着汽车和电子产业，也凸显出全球对台湾关键供应的高度仰赖。
??但除了必须采取行动实现供应多元化的共识外，策略分歧却开始浮现，而且有人担心政府无节制支出，可能刺激这个高度周期性的行业出现建设过度。
??美国、欧盟和日本政府都在考虑对先进的“晶圆厂”或芯片制造厂投资数百亿美元，因为他们对超过三分之二的先进计算芯片都是在台湾生产愈发感到不安。
??中国试图减少对西方科技的依赖，也向芯片产业提供了大规模补贴，包括在2019年成立290亿美元的投资基金，这助推了西方*需要增加投资的观点。
??在亚洲以外地区建立芯片厂的需求，促使台湾台积电和韩国三星电子制定在美国建厂的计划，并极力去争取美国至少300亿美元的补贴。
??也生产*芯片的“三巨头”之一的英特尔最近披露了向外部客户敞开工厂大门并在欧洲建立一家新工厂的计划，这大大改变了竞争格局。英特尔还计划在美国兴建两个新工厂。最终结果可能是政府支持下的半导体产业重组。几十年来美国和欧洲的芯片公司以效率的名义将其制造业务外包给台湾和韩国，向数十亿人提供了廉价的计算能力。
??“现在的局面是，每个*都想建立自己的芯片厂，”VLSI Research首席执行官Dan Hutcheson告诉路透。“我们正在从这种全球相互联系的状态向到处是垂直孤岛的方向转变。”
??如果各国政府的计划得以实现，那么半导体行业可能会变得更像1970年代和1980年代，那时每个*都将芯片视为对其通信和国防至关重要。
??但是，VLSI的Hutcheson表示，风险在于全球建设过多的芯片制造产能，导致价格下跌并淘汰行业中的大部分业者，这类似于1980年代的崩溃，从澳洲到南非的芯片工厂纷纷关闭。
??“从纳税人的角度来看，这确实开始呈现这样的问题：我们真的要发起另一场冷战吗？其中半导体工厂相当于核武器，而我们现在正在浪费所有这些资源。”Hutcheson表示。

全球半导体产业竞争：中美之间的竞争

??日经新闻认为，中美高科技战下争夺最激烈的领域是半导体，因为半导体是争夺高科技主导权的核心技术。
??日本经济新闻*论说委员西條都夫在一篇文章中说，被称为个人计算机之父的艾伦·凯（Alan Kay）博士此前曾表示，“真正认真对待软件的人应该自己制造硬件”，这句话在21世纪的如今似乎仍然正确。大数据、人工智能（AI）、自动驾驶和“Beyond 5G（超越5G）”等新技术要渗透到社会的各个角落，推动生活和经济不断进步，仅仅依靠软件和算法的升级并不够。
??如果没有在瞬间、且可以凭借（今后重要性或进一步提高的）低耗电量完成庞大的数据处理和复杂计算的硬件，也就是说，缺乏性能*的半导体的话，或许（日本力争实现的）“Society 5.0”和数据驱动型经济都将成为纸上谈兵。（据日本内阁府网站给出的定义，“Society 5.0”是指继信息化社会，即“Society 4.0”等之后的新社会，在日本第5期科学技术基本计划中*提倡，是日本力争实现的未来社会的形态。）
??美国的苹果和谷歌等被称为GAFA的各企业近年来开始重视自主设计的定制（taylor-made）型专用半导体，也是因为认识到仅仅依靠通用半导体，服务拓展存在极限。
??日本强有力AI企业Preferred Networks打造专注于深度学习必不可少的行列运算的专用处理器，也是基于相同理由。该公司的首席执行官西川彻表示，“AI时代将是computing power（计算能力）决定各企业乃至一国的竞争力，而核心零部件则是半导体”。
??20世纪最重要的资源是石油，而21世纪则被认为是数据。但是，石油在刚刚发现时曾被称为“黑水”，其真正发挥价值、改变社会，依靠的是从石油中获得能量、转变为动力来源的发动机。如果效仿这一历史，半导体将相当于从大数据的海洋中获取有价值信息的21世纪的内燃机（发动机）。
??围绕作为战略技术的半导体，中美两个大国之间的紧张加剧也不难理解。事情的开端是中国政府2015年提出的“中国制造2025”这一愿景。中国提出向半导体等战略技术领域毫不吝惜地投入公共支援，力争2025年前跻身制造强国行列。
??美国并未作壁上观。特朗普前政权时代相继实施对华为技术等特定企业的制裁，在拜登政权上台后，政府的产业支援变得明确。在2月的记者会上，拜登总统手拿半导体芯片，激动地说“比邮票还小的这枚芯片中包含80亿个晶体管。这正是掌握创新关键的有魔力的零部件”。犹如回应这种表态一样，美国英特尔最近决定建设投资总额为200亿美元的新工厂。
??激烈的中美竞争还逐渐在改变“民营企业的投资交给民间”这一游戏规则。在美国，作为《国防授权法》的一部分、旨在加强半导体产业的“CHIPS法”于2021年1月通过，其中推出每个项目最多提供30亿美元补贴的机制。“敌对双方往往彼此相似”这句话说的很妙。为了抗衡中国，美国也开始*启动基于公共资金的中国式的民间支援。
??更令人惊讶的是美国在面对半导体量产技术上居**水平的台积电时的态度。台积电2020年决定在美国亚利桑那州建设新工厂，已启动设备投资资金的筹集，但存在确定的事项。自称行业观察者的日本经济产业省的某高官表示“美国决定向台积电补贴30亿美元，但台积电方面提出希望进一步增加，双方私底下的博弈仍在持续”。
??台积电是股票总市值达到约60万亿日元的怪兽级企业。而且从美国角度来看，台积电只是一家国外企业。对于这样的企业，投入来自美国人民税金的巨额公共补贴真的合理吗？
??日本经济产业省的上述高官解释称“对美国政府来说，这是一种投资。倘若把将来的法人税、创造就业岗位、技术的溢出、相关产业的培育、在本国国内拥有*工厂带来的有事之际的安心安全等有形无形的优点综合起来的话，投资（补贴）的回报将非常巨大”。
??半导体的另一个规则改变与技术有关。在过去半世纪里，主导半导体发展的是被称为“摩尔定律”的微细加工技术（集成化）的指数函数型的发展，专门从事半导体研究的东京大学教授黑田忠广指出，眼下“微细化的速度明显放缓”。
??在这样的情况下，变得重要的是专家称之为“超越摩尔定律（More than moore）”的微细化以外的新机制。在东芝担任近20年工程师、对行业非常熟悉的黑田教授表示“日本在半导体材料和制造设备方面仍具有优势，如果充分加以利用，或许有望领跑超越摩尔定律的技术创新”。
??例如，切入点之一是并非在平面上排列不同半导体，而是重叠配置的3D封装。通过立体化，电子的移动距离缩短，半导体的耗电量明显减少。台积电在茨城县筑波市建立3D封装的研发基地，日本技术积累的雄厚程度或许也成为吸引台积电的原因。
??日本东京理科大学研究生院教授若林秀树在评价中国大陆半导体的竞争力时指出，中国大陆拥有被认为达到15万亿日元的*IC（集成电路）基金，在NAND型闪存及系统LSI（大规模集成电路）等领域也具有实力。就连面临课题的EDA（电子设计自动化）领域，大陆也招聘了大量技术人员，准备着手去做。从中长期来看，不可小觑。
??他还指出，（半导体）制造设备需要化学及机械的关键技术。需要脚踏实地地搞研发。范围也很广泛，供应链的关键在于中小企业群，没有10-20年的努力，出不了成果。3-5年内，中国大陆很难赶超，但10-20年后，大陆存在压倒日美欧的可能性。因为中国大陆科学技术人才群体庞大。