中國能否跨越半導體設備高墻？

芯師爺|Core master|

2022-03-07 03:29:42 0

全球芯片供應鏈集中易受重大干擾影響

??當前，臺灣IT企業之所以出現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”、“人氣游戲機上市”、“純電動汽車（EV）需求”的6個因素。
??根據市場調研機構TrendForce集邦咨詢的數據，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。換言之，臺積電這一家企業就占據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制程工藝的芯片代工訂單交給了臺積電。這也意味著，曾經長期獨占產業鰲頭的英特爾，如今也淡出了晶圓代工這一環節，將更多的注意力轉向了芯片設計等上下游其他環節。
??臺灣在半導體產業鏈關鍵環節占據近乎壟斷的地位，起源于臺積電在80年代末開創的晶圓代工模式。當時，成立不久的臺積電需要避免與英特爾等行業領軍企業正面競爭，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體行業的重要分工模式。上游的英偉達、博通以及華為海思等新興芯片設計企業忙著為各行各業的不同需求打造性能各異的芯片，然后將設計圖交給臺積電這樣的中游晶圓廠進行代工。臺積電等企業則利用規模優勢，不斷降低成本、提升工藝水平，在晶圓代工這個產業鏈環節精進到*。這種產業鏈分工模式，降低了設計企業以及代工企業的門檻和研發風險，讓不同環節的企業都能專注于自己最擅長的領域。而臺積電等臺灣企業，正是抓住了產業鏈轉型的時機，迅速*占了市場份額。
??由于需求暴漲，全球芯片供應緊張，迫使德國大眾等諸多車企減產。
??對于全球經濟而言，臺灣的經濟體量并不像美國、中國大陸、歐盟等大國那般顯眼。半導體產業鏈的其他環節，比如芯片設計、光刻機、晶圓生產等行業也被美國、荷蘭、日本等其他*所把持，臺灣并沒能控制整條產業鏈。但是近期德國大眾、美國福特、日本豐田紛紛因芯片供應緊張而被迫減產，凸顯了全球經濟對芯片產業、尤其是對臺灣晶圓代工行業的高度依賴。德國總理默克爾、法國總統馬克龍最近都對此表態說，歐洲必須要完善自己的芯片產業鏈，力爭在今后不再像現在這樣受制于人。而經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體產業更加自主。日本政府則在尋求讓臺積電在日本境內投資設廠。
??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，占據了晶圓代工環節過半市場份額的臺灣，已經成為了“整個半導體產業鏈上最為致命的潛在單點故障點”（SPOF，指一個體系中某一個一旦失效就會讓整個體系無法運轉的環節）。?
??路透報道，美國半導體產業協會（SIA）最新研究發現，由于供應商愈發集中在某些地區，全球半導體供應鏈變得愈來愈容易受到天災和地緣干擾的影響。
??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致電力中斷，以及臺灣今年嚴重乾旱，使得短缺問題更加嚴重。在美國、歐洲及亞洲的汽車工廠，一些生產線因芯片短缺而停擺。
??現代芯片制造涉及一千多個步驟，需要來自*各地的復雜知識產權、工具和化學品。但SIA表示，其發現在供應鏈上有50多個地方，其中單一地區就占了65%的市場份額。
??舉例來說，設計*芯片的知識產權和軟件是由美國獨占鰲頭，制造芯片的關鍵特殊氣體來自歐洲，而最先進的芯片制造則全部在亞洲，其中92%在臺灣。
??報告顯示，如果臺灣無法生產芯片一年，全球電子業營收將少掉將近5000億億美元，“全球電子業供應鏈將會停擺。”
??這項研究也警告，各國政府單打獨斗在國內復制供應鏈的方式并不可行，因為這將令全球耗費1.2萬億美元——光是美國就會耗掉4,500億美元——導致芯片價格飆漲。
??不過報告也呼吁，某些情況下，可以在缺乏供應鏈任何部分的區域提供激勵措施，以建立“最小的可行產能”。
??以美國與歐洲來說，這意味著建立新的先進芯片廠，以平衡產能集中在臺灣與韓國的情況。
??“我們在美國沒有足夠的半導體制造能力...必須在美國政府的協助下解決這個問題，”該機構首席執行官John Neuffer表示。

全球半導體設備投資：變化和策略

??日經新聞亞洲科技總編山田周平認為，在*半導體供應鏈中，中國大陸的影響力加強。最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的亞洲企業爭奪主導權的轉折點。日本或許也需要重新思考半導體振興策略。
?? 投資在大幅增加
??美國調查公司IC Insights在3月中旬發布的報告中，分析了美國、中國大陸、歐盟的半導體產業振興策略。報告估算了中美歐為培育在生產技術和產能方面抗衡三星和臺積電的半導體廠商，最低需要的支出“至少需要維持5年每年支出300億美元”，。實際上，半導體產業由于工廠建設費增加，除了三星和臺積電外，其他企業均在投資競爭中略微掉隊。
??IC Insights的統計顯示，從*半導體廠商的設備投資額來看，2010年以后三星持續排在首位。此前一直*的英特爾現在勉強與臺積電爭奪第2名。2021年，預計三星和臺積電的設備投資占到行業整體的43%。
??也就是說在*半導體產業，過去20年里三星和臺積電的壟斷逐步加強。近期的車載半導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半導體產業，但2017-2020年大陸半導體企業的設備投資合計為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，也買不到關鍵制造設備”，預測將陷入苦戰。針對歐洲，報告指出歐洲并未顯示出參與半導體主導權競爭的意向。
??IC Insights或許認為日本并非半導體行業的主要競爭者，并未在報告中提及日本。日本經濟產業省提出了“將吸引海外企業建廠生產*產品”的方針，但臺積電決定在茨城縣筑波市開設的封裝技術研究基地的投資規模明顯很小。在地緣政治風險提高的背景下，海外大型半導體企業特意在日本建設大型工廠缺乏現實意義。日本或許應把人才和投資集中于仍有競爭力的半導體制造設備和材料領域，采取鎖定優勢領域的半導體振興策略。
?? 投資熱潮恐致產能過剩
??路透報道指出，全球各國政府都在資助半導體工廠建設，因芯片短缺困擾著汽車和電子產業，也凸顯出全球對臺灣關鍵供應的高度仰賴。
??但除了必須采取行動實現供應多元化的共識外，策略分歧卻開始浮現，而且有人擔心政府無節制支出，可能刺激這個高度周期性的行業出現建設過度。
??美國、歐盟和日本政府都在考慮對先進的“晶圓廠”或芯片制造廠投資數百億美元，因為他們對超過三分之二的先進計算芯片都是在臺灣生產愈發感到不安。
??中國試圖減少對西方科技的依賴，也向芯片產業提供了大規模補貼，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。
??在亞洲以外地區建立芯片廠的需求，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300億美元的補貼。
??也生產*芯片的“三巨頭”之一的英特爾最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。最終結果可能是政府支持下的半導體產業重組。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務外包給臺灣和韓國，向數十億人提供了廉價的計算能力。
??“現在的局面是，每個*都想建立自己的芯片廠，”VLSI Research首席執行官Dan Hutcheson告訴路透。“我們正在從這種全球相互聯系的狀態向到處是垂直孤島的方向轉變。”
??如果各國政府的計劃得以實現，那么半導體行業可能會變得更像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重要。
??但是，VLSI的Hutcheson表示，風險在于全球建設過多的芯片制造產能，導致價格下跌并淘汰行業中的大部分業者，這類似于1980年代的崩潰，從澳洲到南非的芯片工廠紛紛關閉。
??“從納稅人的角度來看，這確實開始呈現這樣的問題：我們真的要發起另一場冷戰嗎？其中半導體工廠相當于核武器，而我們現在正在浪費所有這些資源。”Hutcheson表示。

全球半導體產業競爭：中美之間的競爭

??日經新聞認為，中美高科技戰下爭奪最激烈的領域是半導體，因為半導體是爭奪高科技主導權的核心技術。
??日本經濟新聞*論說委員西條都夫在一篇文章中說，被稱為個人計算機之父的艾倫·凱（Alan Kay）博士此前曾表示，“真正認真對待軟件的人應該自己制造硬件”，這句話在21世紀的如今似乎仍然正確。大數據、人工智能（AI）、自動駕駛和“Beyond 5G（超越5G）”等新技術要滲透到社會的各個角落，推動生活和經濟不斷進步，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（今后重要性或進一步提高的）低耗電量完成龐大的數據處理和復雜計算的硬件，也就是說，缺乏性能*的半導體的話，或許（日本力爭實現的）“Society 5.0”和數據驅動型經濟都將成為紙上談兵。（據日本內閣府網站給出的定義，“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期科學技術基本計劃中*提倡，是日本力爭實現的未來社會的形態。）
??美國的蘋果和谷歌等被稱為GAFA的各企業近年來開始重視自主設計的定制（taylor-made）型專用半導體，也是因為認識到僅僅依靠通用半導體，服務拓展存在極限。
??日本強有力AI企業Preferred Networks打造專注于深度學習必不可少的行列運算的專用處理器，也是基于相同理由。該公司的首席執行官西川徹表示，“AI時代將是computing power（計算能力）決定各企業乃至一國的競爭力，而核心零部件則是半導體”。
??20世紀最重要的資源是石油，而21世紀則被認為是數據。但是，石油在剛剛發現時曾被稱為“黑水”，其真正發揮價值、改變社會，依靠的是從石油中獲得能量、轉變為動力來源的發動機。如果效仿這一歷史，半導體將相當于從大數據的海洋中獲取有價值信息的21世紀的內燃機（發動機）。
??圍繞作為戰略技術的半導體，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。中國提出向半導體等戰略技術領域毫不吝惜地投入公共支援，力爭2025年前躋身制造強國行列。
??美國并未作壁上觀。特朗普前政權時代相繼實施對華為技術等特定企業的制裁，在拜登政權上臺后，政府的產業支援變得明確。在2月的記者會上，拜登總統手拿半導體芯片，激動地說“比郵票還小的這枚芯片中包含80億個晶體管。這正是掌握創新關鍵的有魔力的零部件”。猶如回應這種表態一樣，美國英特爾最近決定建設投資總額為200億美元的新工廠。
??激烈的中美競爭還逐漸在改變“民營企業的投資交給民間”這一游戲規則。在美國，作為《國防授權法》的一部分、旨在加強半導體產業的“CHIPS法”于2021年1月通過，其中推出每個項目最多提供30億美元補貼的機制。“敵對雙方往往彼此相似”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體量產技術上居**水平的臺積電時的態度。臺積電2020年決定在美國亞利桑那州建設新工廠，已啟動設備投資資金的籌集，但存在確定的事項。自稱行業觀察者的日本經濟產業省的某高官表示“美國決定向臺積電補貼30億美元，但臺積電方面提出希望進一步增加，雙方私底下的博弈仍在持續”。
??臺積電是股票總市值達到約60萬億日元的怪獸級企業。而且從美國角度來看，臺積電只是一家國外企業。對于這樣的企業，投入來自美國人民稅金的巨額公共補貼真的合理嗎？
??日本經濟產業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、創造就業崗位、技術的溢出、相關產業的培育、在本國國內擁有*工廠帶來的有事之際的安心安全等有形無形的優點綜合起來的話，投資（補貼）的回報將非常巨大”。
??半導體的另一個規則改變與技術有關。在過去半世紀里，主導半導體發展的是被稱為“摩爾定律”的微細加工技術（集成化）的指數函數型的發展，專門從事半導體研究的東京大學教授黑田忠廣指出，眼下“微細化的速度明顯放緩”。
??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）”的微細化以外的新機制。在東芝擔任近20年工程師、對行業非常熟悉的黑田教授表示“日本在半導體材料和制造設備方面仍具有優勢，如果充分加以利用，或許有望領跑超越摩爾定律的技術創新”。
??例如，切入點之一是并非在平面上排列不同半導體，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封裝的研發基地，日本技術積累的雄厚程度或許也成為吸引臺積電的原因。
??日本東京理科大學研究生院教授若林秀樹在評價中國大陸半導體的競爭力時指出，中國大陸擁有被認為達到15萬億日元的*IC（集成電路）基金，在NAND型閃存及系統LSI（大規模集成電路）等領域也具有實力。就連面臨課題的EDA（電子設計自動化）領域，大陸也招聘了大量技術人員，準備著手去做。從中長期來看，不可小覷。
??他還指出，（半導體）制造設備需要化學及機械的關鍵技術。需要腳踏實地地搞研發。范圍也很廣泛，供應鏈的關鍵在于中小企業群，沒有10-20年的努力，出不了成果。3-5年內，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。因為中國大陸科學技術人才群體龐大。