中國能否跨越半導(dǎo)體設(shè)備高墻？

芯師爺|Core master|

2022-03-07 03:29:43 0

全球芯片供應(yīng)鏈集中易受重大干擾影響

??當(dāng)前，臺灣IT企業(yè)之所以出現(xiàn)前所未有的繁榮景象，是由于2020年秋季以后的多重因素疊加而產(chǎn)生的。大致來看，存在“5G”、“新款iPhone上市”、“美國對華制裁”、“新冠疫情”、“人氣游戲機(jī)上市”、“純電動汽車（EV）需求”的6個因素。
??根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)TrendForce集邦咨詢的數(shù)據(jù)，2021年全球晶圓代工市場的64%份額都會落在臺灣，其中大部分都被臺積電占據(jù)。換言之，臺積電這一家企業(yè)就占據(jù)了全球過半的晶圓代工市場。就在2020年，美國老牌芯片廠商英特爾以及高通紛紛將更先進(jìn)制程工藝的芯片代工訂單交給了臺積電。這也意味著，曾經(jīng)長期獨(dú)占產(chǎn)業(yè)鰲頭的英特爾，如今也淡出了晶圓代工這一環(huán)節(jié)，將更多的注意力轉(zhuǎn)向了芯片設(shè)計等上下游其他環(huán)節(jié)。
??臺灣在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)占據(jù)近乎壟斷的地位，起源于臺積電在80年代末開創(chuàng)的晶圓代工模式。當(dāng)時，成立不久的臺積電需要避免與英特爾等行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)正面競爭，于是另辟蹊徑，尋求為英特爾代工。短短幾年后，芯片代工、或者說晶圓代工就成為了半導(dǎo)體行業(yè)的重要分工模式。上游的英偉達(dá)、博通以及華為海思等新興芯片設(shè)計企業(yè)忙著為各行各業(yè)的不同需求打造性能各異的芯片，然后將設(shè)計圖交給臺積電這樣的中游晶圓廠進(jìn)行代工。臺積電等企業(yè)則利用規(guī)模優(yōu)勢，不斷降低成本、提升工藝水平，在晶圓代工這個產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)精進(jìn)到*。這種產(chǎn)業(yè)鏈分工模式，降低了設(shè)計企業(yè)以及代工企業(yè)的門檻和研發(fā)風(fēng)險，讓不同環(huán)節(jié)的企業(yè)都能專注于自己*擅長的領(lǐng)域。而臺積電等臺灣企業(yè)，正是抓住了產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)型的時機(jī)，迅速*占了市場份額。
??由于需求暴漲，全球芯片供應(yīng)緊張，迫使德國大眾等諸多車企減產(chǎn)。
??對于全球經(jīng)濟(jì)而言，臺灣的經(jīng)濟(jì)體量并不像美國、中國大陸、歐盟等大國那般顯眼。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的其他環(huán)節(jié)，比如芯片設(shè)計、光刻機(jī)、晶圓生產(chǎn)等行業(yè)也被美國、荷蘭、日本等其他*所把持，臺灣并沒能控制整條產(chǎn)業(yè)鏈。但是近期德國大眾、美國福特、日本豐田紛紛因芯片供應(yīng)緊張而被迫減產(chǎn)，凸顯了全球經(jīng)濟(jì)對芯片產(chǎn)業(yè)、尤其是對臺灣晶圓代工行業(yè)的高度依賴。德國總理默克爾、法國總統(tǒng)馬克龍*近都對此表態(tài)說，歐洲必須要完善自己的芯片產(chǎn)業(yè)鏈，力爭在今后不再像現(xiàn)在這樣受制于人。而經(jīng)歷過去年臺積電在美國壓力下被迫斷供華為海思之后，中國政府也頻頻表示要在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)更加自主。日本政府則在尋求讓臺積電在日本境內(nèi)投資設(shè)廠。
??德國科技政策專家克萊因漢斯（Jan-Peter Kleinhans）在接受彭博社采訪時指出，占據(jù)了晶圓代工環(huán)節(jié)過半市場份額的臺灣，已經(jīng)成為了“整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上*為致命的潛在單點(diǎn)故障點(diǎn)”（SPOF，指一個體系中某一個一旦失效就會讓整個體系無法運(yùn)轉(zhuǎn)的環(huán)節(jié)）。?
??路透報道，美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SIA）*新研究發(fā)現(xiàn)，由于供應(yīng)商愈發(fā)集中在某些地區(qū)，全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈變得愈來愈容易受到天災(zāi)和地緣干擾的影響。
??目前的全球芯片短缺始于去年底臺灣的工廠接單滿載，但之后又因日本一家工廠失火、美國德州因寒流急凍而導(dǎo)致電力中斷，以及臺灣今年嚴(yán)重乾旱，使得短缺問題更加嚴(yán)重。在美國、歐洲及亞洲的汽車工廠，一些生產(chǎn)線因芯片短缺而停擺。
??現(xiàn)代芯片制造涉及一千多個步驟，需要來自*各地的復(fù)雜知識產(chǎn)權(quán)、工具和化學(xué)品。但SIA表示，其發(fā)現(xiàn)在供應(yīng)鏈上有50多個地方，其中單一地區(qū)就占了65%的市場份額。
??舉例來說，設(shè)計*芯片的知識產(chǎn)權(quán)和軟件是由美國獨(dú)占鰲頭，制造芯片的關(guān)鍵特殊氣體來自歐洲，而*先進(jìn)的芯片制造則全部在亞洲，其中92%在臺灣。
??報告顯示，如果臺灣無法生產(chǎn)芯片一年，全球電子業(yè)營收將少掉將近5000億億美元，“全球電子業(yè)供應(yīng)鏈將會停擺?！?
??這項(xiàng)研究也警告，各國政府單打獨(dú)斗在國內(nèi)復(fù)制供應(yīng)鏈的方式并不可行，因?yàn)檫@將令全球耗費(fèi)1.2萬億美元——光是美國就會耗掉4,500億美元——導(dǎo)致芯片價格飆漲。
??不過報告也呼吁，某些情況下，可以在缺乏供應(yīng)鏈任何部分的區(qū)域提供激勵措施，以建立“*小的可行產(chǎn)能”。
??以美國與歐洲來說，這意味著建立新的先進(jìn)芯片廠，以平衡產(chǎn)能集中在臺灣與韓國的情況。
??“我們在美國沒有足夠的半導(dǎo)體制造能力...必須在美國政府的協(xié)助下解決這個問題，”該機(jī)構(gòu)首席執(zhí)行官John Neuffer表示。

全球半導(dǎo)體設(shè)備投資：變化和策略

??日經(jīng)新聞亞洲科技總編山田周平認(rèn)為，在*半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中，中國大陸的影響力加強(qiáng)。*近英特爾宣布計劃在亞利桑那州新建*工廠似乎是為了避免受到中國大陸的影響。這也有可能成為與包括韓國和臺灣在內(nèi)的亞洲企業(yè)爭奪主導(dǎo)權(quán)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。日本或許也需要重新思考半導(dǎo)體振興策略。
?? 投資在大幅增加
??美國調(diào)查公司IC Insights在3月中旬發(fā)布的報告中，分析了美國、中國大陸、歐盟的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)振興策略。報告估算了中美歐為培育在生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)能方面抗衡三星和臺積電的半導(dǎo)體廠商，*低需要的支出“至少需要維持5年每年支出300億美元”，。實(shí)際上，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)由于工廠建設(shè)費(fèi)增加，除了三星和臺積電外，其他企業(yè)均在投資競爭中略微掉隊。
??IC Insights的統(tǒng)計顯示，從*半導(dǎo)體廠商的設(shè)備投資額來看，2010年以后三星持續(xù)排在首位。此前一直*的英特爾現(xiàn)在勉強(qiáng)與臺積電爭奪第2名。2021年，預(yù)計三星和臺積電的設(shè)備投資占到行業(yè)整體的43%。
??也就是說在*半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，過去20年里三星和臺積電的壟斷逐步加強(qiáng)。近期的車載半導(dǎo)體不足或許就是其弊端之一。針對英特爾3月23日敲定的大型投資，據(jù)稱中美摩擦是主要原因，同時也是為了追趕三星和臺積電。
??另一方面，IC Insights提出的“5年1500億美元”投資的難度很大。例如，中國大陸在2014年之后政企合作加強(qiáng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，但2017-2020年大陸半導(dǎo)體企業(yè)的設(shè)備投資合計為447億美元，僅為同期三星的約一半。
??IC Insights的報告針對中國大陸表示，“即使資金不成問題，受中美摩擦影響，也買不到關(guān)鍵制造設(shè)備”，預(yù)測將陷入苦戰(zhàn)。針對歐洲，報告指出歐洲并未顯示出參與半導(dǎo)體主導(dǎo)權(quán)競爭的意向。
??IC Insights或許認(rèn)為日本并非半導(dǎo)體行業(yè)的主要競爭者，并未在報告中提及日本。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省提出了“將吸引海外企業(yè)建廠生產(chǎn)*產(chǎn)品”的方針，但臺積電決定在茨城縣筑波市開設(shè)的封裝技術(shù)研究基地的投資規(guī)模明顯很小。在地緣政治風(fēng)險提高的背景下，海外大型半導(dǎo)體企業(yè)特意在日本建設(shè)大型工廠缺乏現(xiàn)實(shí)意義。日本或許應(yīng)把人才和投資集中于仍有競爭力的半導(dǎo)體制造設(shè)備和材料領(lǐng)域，采取鎖定優(yōu)勢領(lǐng)域的半導(dǎo)體振興策略。
?? 投資熱潮恐致產(chǎn)能過剩
??路透報道指出，全球各國政府都在資助半導(dǎo)體工廠建設(shè)，因芯片短缺困擾著汽車和電子產(chǎn)業(yè)，也凸顯出全球?qū)ε_灣關(guān)鍵供應(yīng)的高度仰賴。
??但除了必須采取行動實(shí)現(xiàn)供應(yīng)多元化的共識外，策略分歧卻開始浮現(xiàn)，而且有人擔(dān)心政府無節(jié)制支出，可能刺激這個高度周期性的行業(yè)出現(xiàn)建設(shè)過度。
??美國、歐盟和日本政府都在考慮對先進(jìn)的“晶圓廠”或芯片制造廠投資數(shù)百億美元，因?yàn)樗麄儗Τ^三分之二的先進(jìn)計算芯片都是在臺灣生產(chǎn)愈發(fā)感到不安。
??中國試圖減少對西方科技的依賴，也向芯片產(chǎn)業(yè)提供了大規(guī)模補(bǔ)貼，包括在2019年成立290億美元的投資基金，這助推了西方*需要增加投資的觀點(diǎn)。
??在亞洲以外地區(qū)建立芯片廠的需求，促使臺灣臺積電和韓國三星電子制定在美國建廠的計劃，并極力去爭取美國至少300億美元的補(bǔ)貼。
??也生產(chǎn)*芯片的“三巨頭”之一的英特爾*近披露了向外部客戶敞開工廠大門并在歐洲建立一家新工廠的計劃，這大大改變了競爭格局。英特爾還計劃在美國興建兩個新工廠。*終結(jié)果可能是政府支持下的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)重組。幾十年來美國和歐洲的芯片公司以效率的名義將其制造業(yè)務(wù)外包給臺灣和韓國，向數(shù)十億人提供了廉價的計算能力。
??“現(xiàn)在的局面是，每個*都想建立自己的芯片廠，”VLSI Research首席執(zhí)行官Dan Hutcheson告訴路透。“我們正在從這種全球相互聯(lián)系的狀態(tài)向到處是垂直孤島的方向轉(zhuǎn)變?！?
??如果各國政府的計劃得以實(shí)現(xiàn)，那么半導(dǎo)體行業(yè)可能會變得更像1970年代和1980年代，那時每個*都將芯片視為對其通信和國防至關(guān)重要。
??但是，VLSI的Hutcheson表示，風(fēng)險在于全球建設(shè)過多的芯片制造產(chǎn)能，導(dǎo)致價格下跌并淘汰行業(yè)中的大部分業(yè)者，這類似于1980年代的崩潰，從澳洲到南非的芯片工廠紛紛關(guān)閉。
??“從納稅人的角度來看，這確實(shí)開始呈現(xiàn)這樣的問題：我們真的要發(fā)起另一場冷戰(zhàn)嗎？其中半導(dǎo)體工廠相當(dāng)于核武器，而我們現(xiàn)在正在浪費(fèi)所有這些資源?！盚utcheson表示。

全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競爭：中美之間的競爭

??日經(jīng)新聞?wù)J為，中美高科技戰(zhàn)下爭奪*激烈的領(lǐng)域是半導(dǎo)體，因?yàn)榘雽?dǎo)體是爭奪高科技主導(dǎo)權(quán)的核心技術(shù)。
??日本經(jīng)濟(jì)新聞*論說委員西條都夫在一篇文章中說，被稱為個人計算機(jī)之父的艾倫·凱（Alan Kay）博士此前曾表示，“真正認(rèn)真對待軟件的人應(yīng)該自己制造硬件”，這句話在21世紀(jì)的如今似乎仍然正確。大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）、自動駕駛和“Beyond 5G（超越5G）”等新技術(shù)要滲透到社會的各個角落，推動生活和經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步，僅僅依靠軟件和算法的升級并不夠。
??如果沒有在瞬間、且可以憑借（今后重要性或進(jìn)一步提高的）低耗電量完成龐大的數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜計算的硬件，也就是說，缺乏性能*的半導(dǎo)體的話，或許（日本力爭實(shí)現(xiàn)的）“Society 5.0”和數(shù)據(jù)驅(qū)動型經(jīng)濟(jì)都將成為紙上談兵。（據(jù)日本內(nèi)閣府網(wǎng)站給出的定義，“Society 5.0”是指繼信息化社會，即“Society 4.0”等之后的新社會，在日本第5期科學(xué)技術(shù)基本計劃中*提倡，是日本力爭實(shí)現(xiàn)的未來社會的形態(tài)。）
??美國的蘋果和谷歌等被稱為GAFA的各企業(yè)近年來開始重視自主設(shè)計的定制（taylor-made）型專用半導(dǎo)體，也是因?yàn)檎J(rèn)識到僅僅依靠通用半導(dǎo)體，服務(wù)拓展存在極限。
??日本強(qiáng)有力AI企業(yè)Preferred Networks打造專注于深度學(xué)習(xí)必不可少的行列運(yùn)算的專用處理器，也是基于相同理由。該公司的首席執(zhí)行官西川徹表示，“AI時代將是computing power（計算能力）決定各企業(yè)乃至一國的競爭力，而核心零部件則是半導(dǎo)體”。
??20世紀(jì)*重要的資源是石油，而21世紀(jì)則被認(rèn)為是數(shù)據(jù)。但是，石油在剛剛發(fā)現(xiàn)時曾被稱為“黑水”，其真正發(fā)揮價值、改變社會，依靠的是從石油中獲得能量、轉(zhuǎn)變?yōu)閯恿碓吹陌l(fā)動機(jī)。如果效仿這一歷史，半導(dǎo)體將相當(dāng)于從大數(shù)據(jù)的海洋中獲取有價值信息的21世紀(jì)的內(nèi)燃機(jī)（發(fā)動機(jī)）。
??圍繞作為戰(zhàn)略技術(shù)的半導(dǎo)體，中美兩個大國之間的緊張加劇也不難理解。事情的開端是中國政府2015年提出的“中國制造2025”這一愿景。中國提出向半導(dǎo)體等戰(zhàn)略技術(shù)領(lǐng)域毫不吝惜地投入公共支援，力爭2025年前躋身制造強(qiáng)國行列。
??美國并未作壁上觀。特朗普前政權(quán)時代相繼實(shí)施對華為技術(shù)等特定企業(yè)的制裁，在拜登政權(quán)上臺后，政府的產(chǎn)業(yè)支援變得明確。在2月的記者會上，拜登總統(tǒng)手拿半導(dǎo)體芯片，激動地說“比郵票還小的這枚芯片中包含80億個晶體管。這正是掌握創(chuàng)新關(guān)鍵的有魔力的零部件”。猶如回應(yīng)這種表態(tài)一樣，美國英特爾*近決定建設(shè)投資總額為200億美元的新工廠。
??激烈的中美競爭還逐漸在改變“民營企業(yè)的投資交給民間”這一游戲規(guī)則。在美國，作為《國防授權(quán)法》的一部分、旨在加強(qiáng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的“CHIPS法”于2021年1月通過，其中推出每個項(xiàng)目*多提供30億美元補(bǔ)貼的機(jī)制?！皵硨﹄p方往往彼此相似”這句話說的很妙。為了抗衡中國，美國也開始*啟動基于公共資金的中國式的民間支援。
??更令人驚訝的是美國在面對半導(dǎo)體量產(chǎn)技術(shù)上居**水平的臺積電時的態(tài)度。臺積電2020年決定在美國亞利桑那州建設(shè)新工廠，已啟動設(shè)備投資資金的籌集，但存在確定的事項(xiàng)。自稱行業(yè)觀察者的日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的某高官表示“美國決定向臺積電補(bǔ)貼30億美元，但臺積電方面提出希望進(jìn)一步增加，雙方私底下的博弈仍在持續(xù)”。
??臺積電是股票總市值達(dá)到約60萬億日元的怪獸級企業(yè)。而且從美國角度來看，臺積電只是一家國外企業(yè)。對于這樣的企業(yè)，投入來自美國人民稅金的巨額公共補(bǔ)貼真的合理嗎？
??日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的上述高官解釋稱“對美國政府來說，這是一種投資。倘若把將來的法人稅、創(chuàng)造就業(yè)崗位、技術(shù)的溢出、相關(guān)產(chǎn)業(yè)的培育、在本國國內(nèi)擁有*工廠帶來的有事之際的安心安全等有形無形的優(yōu)點(diǎn)綜合起來的話，投資（補(bǔ)貼）的回報將非常巨大”。
??半導(dǎo)體的另一個規(guī)則改變與技術(shù)有關(guān)。在過去半世紀(jì)里，主導(dǎo)半導(dǎo)體發(fā)展的是被稱為“摩爾定律”的微細(xì)加工技術(shù)（集成化）的指數(shù)函數(shù)型的發(fā)展，專門從事半導(dǎo)體研究的東京大學(xué)教授黑田忠廣指出，眼下“微細(xì)化的速度明顯放緩”。
??在這樣的情況下，變得重要的是專家稱之為“超越摩爾定律（More than moore）”的微細(xì)化以外的新機(jī)制。在東芝擔(dān)任近20年工程師、對行業(yè)非常熟悉的黑田教授表示“日本在半導(dǎo)體材料和制造設(shè)備方面仍具有優(yōu)勢，如果充分加以利用，或許有望領(lǐng)跑超越摩爾定律的技術(shù)創(chuàng)新”。
??例如，切入點(diǎn)之一是并非在平面上排列不同半導(dǎo)體，而是重疊配置的3D封裝。通過立體化，電子的移動距離縮短，半導(dǎo)體的耗電量明顯減少。臺積電在茨城縣筑波市建立3D封裝的研發(fā)基地，日本技術(shù)積累的雄厚程度或許也成為吸引臺積電的原因。
??日本東京理科大學(xué)研究生院教授若林秀樹在評價中國大陸半導(dǎo)體的競爭力時指出，中國大陸擁有被認(rèn)為達(dá)到15萬億日元的*IC（集成電路）基金，在NAND型閃存及系統(tǒng)LSI（大規(guī)模集成電路）等領(lǐng)域也具有實(shí)力。就連面臨課題的EDA（電子設(shè)計自動化）領(lǐng)域，大陸也招聘了大量技術(shù)人員，準(zhǔn)備著手去做。從中長期來看，不可小覷。
??他還指出，（半導(dǎo)體）制造設(shè)備需要化學(xué)及機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù)。需要腳踏實(shí)地地搞研發(fā)。范圍也很廣泛，供應(yīng)鏈的關(guān)鍵在于中小企業(yè)群，沒有10-20年的努力，出不了成果。3-5年內(nèi)，中國大陸很難趕超，但10-20年后，大陸存在壓倒日美歐的可能性。因?yàn)橹袊箨懣茖W(xué)技術(shù)人才群體龐大。