美国是如何失去自制芯片的?

科技 | 2022-08-12| 2

北京时间 8 月 9 日近 23 点,美国总统拜登签署了价值 2800 亿美元(折合约 18906 亿人民币)的《美国芯片和科学法案》,包含超 520 亿美元(折合约 3511 亿人民币)的补贴,支持美国芯片制造。此笔款项将用于扶持美国芯片行业在美国本土建厂。

出席此项法案签署仪式的成员包括美国存储芯片巨头美光科技 CEO 桑贾伊·梅洛特拉、老牌美国科技巨头惠普CEO恩里克·洛雷斯、全球最大CPU供应商英特尔CEO帕特·基辛格、第二大 CPU 供应商 AMD 掌门苏姿丰和美国航空航天制造商洛克希德·马丁 CEO 詹姆斯·泰克莱特,以及内阁政府官员和汽车行业领导人。

根据这项法案,美国政府将在 5 年内拨款 502 亿美元,其中 2022 财年将拨款 240 亿美元,2023 财年将拨款 70 亿美元,2024 财年将拨款 63 亿美元,2025 财年将拨款 61 亿美元,2026财年将拨款 68 亿美元。

值得关注的是,该法案主要的扶持对象是芯片制造商,将通过减税等种种措施来扶持企业在美国本土建厂。然而,并不是所有芯片制造商都能得到政策扶持。这项法案惠及的大多是行业中的龙头企业。

因此,这项举措是利用市场筛选出最具实力的公司,让这些行业的中坚力量获得资源。这样不仅省去了美国政府重新规划一个行业的精力,也让资金支持更加落地有声,能够在短期内看到效果。

对于《芯片法案》给中国芯片制造行业带来的深远影响,以及国家可能出台的一系列举措,本文暂且不深入讨论。在这里,我们只对该法案产生的背景和芯片制造业的历史做相关讲解。我们将从美国的芯片行业如何从顶尖地位滑落开始探讨。

一、美国是如何失去自制芯片的

美国曾经主导着芯片制造。1947 年,贝尔实验室的科学家创造了世界上第一个晶体管,这是一种基本的电子开关,可以打开和关闭信号。

美国是如何失去自制芯片的?

图:贝尔实验室的科学家发明了晶体管 | Vox.com

日本工程师 Tadashi Sasaki 当时在新泽西研究晶体管。Sasaki 设想将晶体管加到集成电路中,为他的公司夏普生产袖珍计算器。

为节省电力,这需要用到 CMOS 芯片,但由于生产计算器用的芯片利润太低,只有一家美国公司接下了这一单。而其他公司都在生产利润丰厚的军用芯片。

日本公司随后掌握了这项 CMOS 技术。而当 CMOS 在节能和促进小型化方面的潜力被发现时,日本公司已经处于领先地位。1980 年四家领先的半导体公司中有三家是美国公司,而 1990 年前四家中有三家是日本公司。

随即,美国开始通过保护主义来掐断日本的主宰。最终,美国和日本于 1986 年达成协议,让日本公司通过提高价格和减少出口来将半导体市场的 20% 引流给美国公司。

而这一协议为韩国提供了机会。彼时,韩国正面临来自朝鲜的入侵危险,开始大力发展经济以应对这一威胁。

1980 年左右,三星发现美日激烈争夺的中心 —— DRAM 芯片是一个很有前景的出口领域。由于政府的贷款担保,三星可以满足半导体制造的大量投资要求。

随后在 1983 年,三星终于从美国获得了 DRAM 技术。到 1990 年代初,三星已经成为领先的 DRAM 生产商,并在 2021 年继续保持领先。

美国是如何失去自制芯片的?

图:DRAM 芯片 | Google

二、日韩之后,第三颗新星

虽然韩国在制造 DRAM 等存储芯片方面占主导地位,但中国台湾在生产中央处理单元和图形处理单元等逻辑芯片方面处于领先地位。

中国台湾的通货膨胀率在 1973 年和 1974 年分别上升到 22.9% 和 40.6%,并在 1974 年失去了来自日本的资金支持。面对多重危机,台湾也采取了优先发展经济的策略,许多华侨主动提出无偿帮助。

例如,著名的半导体技术的研发实验室 ——大卫萨诺夫实验室的负责人潘文元主持了一个由海外华人研究人员组成的技术咨询委员会( TAC )。

TAC 建议台湾发展半导体产业。台湾成立工业技术研究院(ITRI)监督其发展,并从 RCA 购买半导体技术。ITRI 招募了 40 名工程师,其中一些拥有美国博士学位,他们努力研究这项技术。

工研院于 1979 年从联合微电子公司和台积电(TSMC)于 1987 年分拆出来。台积电不设计集成电路,而是根据客户的规格制造这些集成电路。随后,更多类似的公司也在台湾地区出现了。而如今,台积电已经成为世界第三大半导体公司。

美国是如何失去自制芯片的?

图:台积电(TSMC)| Techgenix.com

亚洲经济体还有另一个优势。半导体行业需要对研发和资本形成进行大量持续投资。东亚经济体拥有高私人储蓄率和严格的财政政策。高国民储蓄促进了投资,使芯片制造商保持竞争力。

三、建立芯片工厂难在哪里?

制造芯片,需要使用碳化硅,这是一种半导体材料,特别适用于驱动电机的芯片,比如电动汽车中的芯片。这种碳化硅呈半透明圆盘,称为晶圆,由北卡罗来纳州的 Wolfspeed 工厂提供。

该设施有一个特殊的熔炉,它的温度是太阳表面的一半。一旦这些碳化硅晶圆 被送到 Wolfspeed 的工厂,它们就会被送到制造车间,由机器人将它们转化为芯片。

芯片制造极其精细,哪怕是最微小的灰尘或人类头发都可能污染整批芯片——因此芯片制造车间必须极为洁净。Wolfspeed 的制造车间受到高度监控,配备强大的空气过滤系统。

在车间内,机器人在晶片中来回穿梭,而技术人员则在控制室监控他们的活动。这个过程包括光刻,即将微小的图案印刷到晶圆上;以及薄膜沉积,即在碳化硅上逐层添加薄膜金属。这些步骤完成之后,晶圆就会被送到流水线的下一步,被切割成单独的芯片。

制造芯片是一个复杂的过程,对厂房的要求也很高。一方面,并不是随便哪个地方都可以建立晶圆厂,它们附近需要有可靠的电力支持,因为它们一年要使用足够 5 万个家庭生活所需的能源,也会释放大量的碳。

这些工厂还需要靠近水体,用来清洁和冷却设备,这反过来又会产生大量废水。并且,它们也不能靠近任何机场或地质断层线,地震活动会破坏他们使用的极其精确的机器。

然后是供应链的问题。在晶圆厂之外,制造芯片可能涉及 70 个不同的过境点和 1 千多个步骤,任何一步中的中断都可能会使整个过程偏离正轨,因为设备出现问题时很少有其他供应选择。例如,荷兰只有一家公司 ASML 制造了价值 2 亿美元的专业光刻工具,许多先进芯片厂都依赖于这种工具。同时,只有两家乌克兰公司能提供这种设备需要的氖气的一半。

“我们没办法获得这些资源,”Wolfspeed 的首席技术官 John Palmour 说,“这只是一场持续不断的供应链争夺。”

由于这些原因,建造一座晶圆厂的成本可能从 10 亿美元到 200 亿美元不等,具体取决于芯片的复杂性。由于这些工厂需要数年时间才能获得批准和建设,芯片公司并不急于花费数十亿美元建造更多工厂,因为需求总是会消退。这也是政府干预和激励工厂建设的一个原因。

价值 2800 亿美元的《芯片和科学法案》通过后,对全球芯片产业的影响无疑是巨大的。但同时,它还规定,接受联邦补贴的公司将在 10 年内不能够进行任何“重大交易”以扩大其在中国或任何其他受关注国家的芯片制造能力。

就这一点来说,虽然芯片制造商似乎有一些回旋余地来保护其在中国的现有业务,但该立法的条款实际上为公司创造了一个雷区,可能迫使他们在美国和中国之间做出选择。

在公开场合,芯片制造商对该法案的通过表示欢迎。许多人已经承诺在美国投资—— 台积电在亚利桑那州投资至少 120 亿美元,三星在德克萨斯州投资 170 亿美元。SK 海力士上周宣布了一项 150 亿美元的投资计划,美国的美国厂商英特尔和美光也在加大投资力度。

几家芯片制造商称,法案将影响投资计划,而一些芯片制造商,如台积电创始人 Morris Chang,批评了他们所提供的小规模支持。

而国内芯片产业目前在积极应对。政府或许也会出台相应的政策,不仅仅是给予企业补贴,更应该动用各种手段,“团结一切可以团结的力量”,做好重点任务的统筹与协调,实现在半导体领域的科技自立自强。

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