“芯片之争”打响?美国或将加大对中国芯片技术封锁,早做准备!

半导体商城 2021-04-21 00:00

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4月16日,路透社爆料,在给美国商务部长吉娜·雷蒙多的一封信中,美国国会代表迈克尔·麦考尔(Michael McCaul)和参议员汤姆·科顿(Tom Cotton)表示,要求将获得美国许可才能将使用美国技术在国外制造的半导体出售给华为的规定,范围扩大至设计14nm以下芯片的所有中国公司。对此,美国商务部的一位代表在确认收到这封信后指出,该机构“正在不断审查情况,以确定是否有必要采取进一步行动”。


半导体,也称为“芯片”,是经济增长、安全和技术创新的核心要素。半导体比邮票还小,比头发还细,由近400亿个元件组成,它对世界发展的影响超过了工业革命。从智能手机、个人电脑、起搏器到互联网、电子车辆、飞机和高超音速武器,半导体在电子设备以及全球电子商务等商品和服务的数字化中无处不在。


随着人工智能(AI)、量子计算、物联网(IoT)和高级无线通信(尤其是5G)等新兴技术都需要尖端的半导体设备,该行业面临着众多挑战和机遇,需求也在飙升。但新冠肺炎疫情和国际贸易争端正在给该行业的供应和价值链带来压力,而美国和中国之间关于技术优势的斗争有可能进一步分裂供应链,导致技术分裂和国际商业的重大中断。


几十年来,美国一直是半导体行业的领导者,截至2020年,其收入占市场份额的48%(或1930亿美元)。根据数据显示,全球15家最大的半导体公司中有8家在美国,英特尔在销售额方面排名第一。


英特尔芯片


随着中国崛起,美国改变过去的策略,开始走产业政策路子。美国总统拜登和国会两党已经开始向产业政策靠拢,而半导体行业是一个重要的试验场。


一、 美国的半导体行业现状

1. 美国半导体产业在半导体供应链的许多环节中占据主导地位,如芯片设计。目前有6家半导体公司在美国的20个晶圆厂生产300mm的硅片,这些晶圆厂分布在8个州,其中得克萨斯州的数量最多。


2. 总部设在美国的半导体制造商在国内和全球都有生产设施,例如:

英特尔一半以上的晶圆在美国亚利桑那州、新墨西哥州和俄勒冈州的工厂生产。英特尔还在爱尔兰、以色列和中国大陆设有晶圆厂。


美光科技在爱达荷州、犹他州和弗吉尼亚州,以及新加坡、日本和台湾地区都有晶圆厂德州仪器在德克萨斯州和缅因州设有晶圆厂,并正在德克萨斯州的理查森建设一座新的晶圆厂。该公司还在中国大陆、台湾地区、马来西亚和菲律宾设有制造厂。


3. 从全国范围来看,根据现有的最新数据,2017年约有730家位于美国的企业从事半导体和相关设备制造,比2013年的约820家企业有所减少75。2018年,以增加值衡量,美国半导体行业对美国经济的贡献为299亿美元,约占美国制造业的1%。


4. 2010年至2018年期间,美国半导体制造业国内新工厂和设备的支出在110亿美元至220亿美元之间。开发新的制造技术和芯片设计需要大量的投资,这意味着半导体公司在研发上的投入远远高于一般制造商。英特尔是美国最大的芯片制造商,2019年的研发支出为134亿美元,由于研发支出巨大,半导体公司经常跻身美国企业专利获得者之列,按专利授权数量衡量。2019年,这份榜单包括英特尔(3,020)、高通(2,348)和美光科技(1,266)。


在美国,三个州(加利福尼亚州、德克萨斯州和俄勒冈州)合计占该行业就业人数的一半以上。2019年,半导体生产占美国制造业总就业人数的1.4%。2019年,半导体制造业工人的平均收入为16.64万美元,是全美制造业工人平均收入(69,928美元)的两倍多。


高通芯片


二、中国大陆的半导体产业现状

中国每年需要进口3000多亿美元的芯片,比购买石油的费用都高。中国是半导体净进口国,2020年,中国进口了价值3500亿美元的芯片,比2019年增长了14.6%。过去六年来,中国一直在加大努力,利用财政激励、知识产权和反垄断标准来加快国内半导体产业的发展,减少对美国的依赖。随着美中竞争的加剧,特别是在前特朗普政府时期,美国一直在通过更严格的许可政策,特别是针对中国实体的许可政策,收紧半导体出口管制。


中国占全球半导体需求的60%,这在很大程度上是由于全球消费类电子产品的生产集中在中国,但迄今为止,中国在芯片生产方面发挥的作用有限。根据数据,2019年,全球正在运营的126家300mm晶圆制造厂中,有24家位于中国。中国总部企业的IC产品在技术上普遍不如总部位于其他国家的企业,而中国最先进的晶圆厂生产则非由中国大陆企业完成。英特尔、三星和台积电是在中国运营制造厂的全球主要半导体企业。


台积电公司


中芯国际集成电路制造有限公司(中芯国际)等中国企业正在提升其能力,部分原因应得益于与外国公司的协作。在政府融资的拉动下,中国继续吸引全球产业协作,导致中国的制造能力扩大。市场研究公司IC Insights预测,2023年中国至少有一半的半导体产量将来自外资控制的晶圆厂,其余则来自中国晶圆厂。


自2014年中国出台半导体政策以来,美国对中国的半导体设备出口增长了三倍。中国对美国半导体设备的准入成为美国政府关注的焦点,因为它被认为对中国半导体产业的发展有重要贡献。自2020年5月起,商务部(DOC)修改了规则,限制向华为技术有限公司及其关联公司出售使用任何美国设计软件或技术制造的芯片,其中包括海外晶圆厂使用的EDA软件工具和设备。


还有一些国会议员和美国政策制定者对美国失去在半导体领域的领导地位所带来的经济和军事影响表示担忧。由国家主导的中国本土垂直一体化半导体产业在范围和规模上都是前所未有的。许多决策者担心,这些尝试如果成功,可能会将全球半导体生产及相关设计和研究能力大幅转移到中国,从而削弱美国和其他外国公司的领先地位。虽然中国目前在全球产业中的份额还比较小,而且中国企业生产的大多是低端芯片,但中国的产业政策目标是到2030年在半导体设计和生产方面建立全球主导地位。此外,中国的半导体能力可以支持一系列的技术进步,包括军事应用。


中国自主研发的军事芯片


由于半导体处于中美战略和技术竞争的核心,美国《外交政策内幕报告》分析了中国、中国台湾和美国在半导体领域不断发展的战略经济关系,研究了该行业中关键的私营和公共部门行为者面临的日益增长的经济和安全挑战,并指出拜登政府在遏制中国技术野心的同时寻求提高美国竞争力的机遇。特别是报告发现:半导体是美国和中国相互依赖的技术雄心的关键。半导体对中国和美国来说都是一个关键的技术弱点,这两个国家在尖端半导体器件方面相互依赖,也依赖中国台湾。


同时,《报告》认为,尽管投资巨大,但中国在未来5至10年内实现独立半导体制造能力的可能性极小。由于获得半导体制造设备和软件的渠道有限,中国公司无法与顶级公司竞争,而且他们总体上缺乏行业知识,这阻碍了自给自足的供应链的发展。此外,《报告》还宣称,鉴于中国在半导体制造和技术供应链中的核心作用,中国可能会通过贸易限制、人才招聘和网络攻击关键公司来利用其经济影响力,以获得支撑国内产业所需的核心半导体知识产权。


三、美国开始制定新的产业政策

美国总统拜登(Joe Biden)和国会两党已经开始向产业政策靠拢,而半导体行业是一个重要的试验场。今年1月份,美国国会通过了一项立法,将配合州和地方激励政策,鼓励建设新的芯片制造工厂,并为大量新的研发和培训提供资金。4月份,美国还打算召开芯片峰会,研究加强美国半导体及其他关键领域供应链韧性问题。


美国国会还没有为这些项目拨款,也尚未落实相关的40%税收抵免政策,该政策旨在降低新的芯片制造工厂的资金成本。不过,拜登已经表示支持这方面的拨款,并宣布了一项为期100天的评估任务,检查半导体、电池、制药和战略材料这四个产业供应链上的薄弱环节。在白宫国家安全委员会(National Security Council)任职的哈勒尔(Peter Harrell)上个月告诉记者:“我们将利用多种激励措施来鼓励美国国内的生产。”


虽然美国企业是半导体行业的先驱,并且在芯片设计领域仍占主导地位,但许多美国公司已经将芯片的实际制造工作外包了出去,大多外包给亚洲工厂。根据波士顿咨询公司(Boston Consulting Group)和半导体产业协会(Semiconductor Industry Association, 简称SIA)的数据,美国的产量在全球芯片制造领域的份额已经从1990年的37%缩减到现在的12%,按照目前的趋势,到2030年,占比会下滑到10%。


除了砸重金投资本土芯片产业外,美国还担心中国可能会必要时武力统一台湾。而台湾提供了全球22%的芯片和50%的尖端芯片。美国人认为这就像冷战时期,美国最先进的喷气式飞机发动机都是在苏联红军包围之下的西柏林制造是一样的危险。再加上今年一些汽车制造商因芯片短缺而陷入瘫痪。现在半导体的地位就如同20世纪70年代的石油,它是经济的一项关键原料,其供应关系到国家安全。弗吉尼亚州民主党参议员沃纳(Mark Warner)说:“纺织品、家具、电视机,这些都是单一产品。”而半导体是生活所依赖的成千上万种产品的基本构件,”沃纳说,“掌控这种技术已是利害攸关,到了前所未有的程度。而像中国这样规模和能力的竞争对手也是我们从未有过的。”


主要芯片生产国都已经在为半导体制造提供补贴。中国的激励措施最是大手笔,而美国则属最微薄之列。美国半导体协会(SIA)发布报告《半导体制造中的政府激励和美国的竞争力》,警告拜登政府应加强半导体美国制造,要强化供应链安全,采取更明智的产业政策,加大科研投入,实施更加精确的出口管制。SIA负责人诺伊弗(John Neuffer)说:“该行业竞争激烈,高度以市场为导向。”他说:“在其中一个领域我们并没有公平竞争环境,那就是半导体制造。我们行业需要解决这个问题。”


SIA预测,借助一项500亿美元的激励计划,美国的产能份额可以在10年间上升到14%。SIA表示,时间至关重要:未来10年全球产能将提升56%,而制造商当前正在确定新产能的选址。激励措施或将影响台积电和三星电子(Samsung Electronics Co., 005930.SE)的规划,促使它们在美国建厂。但是可能出现的情况是,一旦华盛顿方面开始为半导体行业提供资金支持,其他行业或许会要求获得同样的待遇,而最终结果会更多地由政治影响力而非经济上的好处决定。


就像造船业一样,被扶持的公司最终可能永远需要联邦政府的保护,没有能力在国际上竞争。美国前总统特朗普(Donald Trump)也曾潜心于产业政策,但他的关税措施未能重振美国钢铁制造商,他还曾大力支持在威斯康星州建一座可获得大量补贴的液晶显示器工厂,但该工厂尚未兴建。


事实上,美国国防部和国家航空及太空总署(NASA)是半导体的关键早期买家。不同于液晶显示器,美国现在拥有多个半导体生态系统,集中在俄勒冈州希尔斯伯勒、凤凰城、得克萨斯州奥斯汀以及纽约州北部等地。


NASA火星车


半导体行业高度全球化且依赖规模经济,因此任何国家都难以完全避开供应链中断问题。不过,美国在产业政策方面的这种新尝试志不在此,而是为了确保美国及其盟友之间拥有一条把中国排除在外的供应链。正如白宫的哈勒尔上个月所言:“我们的供应链不应受对手国家操纵。” 美国面临着采取更多行动的压力。参议院多数党领袖、纽约州民主党人舒默(Chuck Schumer)已要求议员们基于早前的一项提议起草法案,应对中国在科技领域的崛起。该提议主张五年内投入1,000亿美元用于人工智能、高性能计算和先进制造业等领域的基础研究。


四、美国试图重建供应链并非易事

美国要重建芯片供应链远没有那么简单。要想理解美国总统拜登所面临的难处,请看一家美国公司为韩国现代汽车(Hyundai Motor)新款电动车IONIQ 5提供芯片的供应链之旅。


该芯片是一种相机图像传感器,由安森美半导体(On Semiconductor)设计,其生产过程始于意大利一家工厂,该工厂在空白的硅晶圆上刻上复杂的电路。接着将晶圆首先发到台湾进行封装和测试,然后送到新加坡存放,之后再送到中国组装成摄像头组件,最后送到在韩国的现代汽车零部件供应商,然后才到达现代的汽车工厂。


该图像传感器的短缺导致现代汽车在韩国的工厂空转,使其成为遭受全球芯片供应危机困扰的最新的一家汽车制造商。这场危机已影响到通用汽车(General Motors)、福特汽车(Ford)和大众汽车(福特汽车, Volkswagen)等大多数汽车制造商的生产。

该图像传感器的曲折旅程表明,芯片行业提高产能以解决当前的短缺以及重振美国芯片制造将是多么复杂。


“试图在特定地点重建从上游到下游的整个一条供应链是不太可能的,”安森美半导体高级副总裁David Somo对路透表示,“那将是非常昂贵的。”


美国现在只占全球半导体产能的12%左右,低于1990年的37%。行业数据显示,目前全球80%以上的芯片生产集中在亚洲。


单个计算机芯片的生产可能涉及1000多个步骤、70个独立的跨境合作和一系列专业公司,这些公司大多在亚洲,大部分不为公众所知。


五、中国必须解决卡脖子技术问题

面对美国愈发增强的技术限制压力,中国制定了未来五年加快发展芯片、人工智能和量子计算等先进技术的计划。


中国在十四五规划中的研发支出将以每年7%以上的速度增长。这在国内生产总值(GDP)中的占比将高于前一个五年。中国国务院总理李克强上周五在讲话中表示,中国将修订法规和政策,支持风险资本流入初创企业,增加银行贷款并扩大税收优惠以鼓励研发。


经济学家和行业分析人士表示,中国十四五规划的突出之处在于强调先进技术和创新。规划还包括中国对2035年的远景目标,届时中国希望在“关键核心技术实现重大突破,进入创新型国家前列”。


面对美国针对中芯国际集成电路制造有限公司(简称﹕中芯国际)的限制,对中国来说,打造世界级的国内芯片制造商更加迫在眉睫。


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