中國能否跨越半導(dǎo)體設(shè)備高墻？

芯師爺|Core master|

2022-03-07 03:29:42 1

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”、“人氣游戲機上市”、“純電動汽車（EV）需求”的6個因素。
??根據(jù)市場調(diào)研機構(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)都能專注于自己最擅長的領(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，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、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)馬克龍最近都對此表態(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(zhuǎn)的環(huán)節(jié)）。?
??路透報道，美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SIA）最新研究發(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)和軟件是由美國獨占鰲頭，制造芯片的關(guān)鍵特殊氣體來自歐洲，而最先進(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。”
??這項研究也警告，各國政府單打獨斗在國內(nèi)復(fù)制供應(yīng)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(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“最小的可行產(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。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(nèi)的亞洲企業(yè)爭奪主導(dǎo)權(quán)的轉(zhuǎn)折點。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，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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)由于工廠建設(shè)費增加，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。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，因為他們對超過三分之二的先進(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(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300億美元的補貼。
??也生產(chǎn)*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(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?！拔覀冋趶倪@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)在正在浪費所有這些資源。”Hutcheson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)下爭奪最激烈的領(lǐng)域是半導(dǎo)體，因為半導(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，也是因為認(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)最重要的資源是石油，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。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（發(fā)動機）。
??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年前躋身制造強國行列。
??美國并未作壁上觀。特朗普前政權(quán)時代相繼實施對華為技術(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，美國英特爾最近決定建設(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，其中推出每個項目最多提供30億美元補貼的機制?！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。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)點綜合起來的話，投資（補貼）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)及機械的關(guān)鍵技術(shù)。需要腳踏實地地搞研發(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。因為中國大陸科學(xué)技術(shù)人才群體龐大。