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美国应考虑如何解决芯片制造业“空心化”

作者:   来源:IPP评论  已有 457人浏览 字体放大  字体缩小

导读

芯片与国家安全密切相关,如今已广泛运用于军事领域,是影响信息化装备作战效能的决定性因素。但是,面对激烈的国际竞争,美国在微电子领域的领导地位正在崩塌,这直接威胁到美国的全球军事战略。本文认为,维护美国对全球芯片供应链的影响力,对于美国的国家安全和经济发展至关重要。

本文作者:

苏杰·希瓦库玛(Sujai Shivakumar),美国战略与国际研究中心(Center for Strategic and International Studies, CSIS)资深研究员。

查尔斯·韦斯纳(Charles Wessner),美国乔治城大学(Georgetown University)教授,美国战略与国际研究中心项目顾问。

引言

早在上世纪80年代,美国就已经认识到芯片与国家安全之间的关系。例如,美国总统里根曾明确表示,在保持美国芯片技术领先优势的同时,大力发展基于芯片技术的尖端武器(例如卫星、隐形飞机、巡航导弹等),以抵消前苏联在数量上的军事优势。今天,美国面临着比冷战时期更复杂的局面。中国在经济和技术领域比前苏联更强大,而且在其他领域也在追赶美国。有鉴于此,美国迫切需要提高其在微电子领域的竞争力。近期全球汽车芯片的短缺,也让美国意识到芯片制造能力的不足,除了会对国家安全造成影响,还会拖累经济发展。

2021年6月8日,美国参议院正式投票通过了《2021年美国创新与竞争法》。该法案批准了1900亿美元用于加强美国的技术研发与创新能力,其中540亿美元专门用于补贴美国芯片制造业。虽然该法案“对华竞争”的意图十分明显,但确保美国芯片制造业的长期健康发展,无论是对国家安全还是经济发展都是十分有利的。

美国芯片制造业的不断衰落

尽管几十年来芯片制造业在美国市场的份额一直呈萎缩趋势,但美国芯片公司在研发、设计和制造芯片方面仍保持着全球领先地位,尤其是控制着世界上约85%的电子设计自动化工具市场。

当然,也有一些问题值得反思,例如:

(一)美国芯片公司的数量已经下降到全球总量的10%左右,并高度依赖台积电和三星生产的7纳米和5纳米芯片。

(二)美国仅拥有全球半导体封装能力的5%,其大部分半导体封装业务主要外包给中国(尤其是台湾地区)和新加坡。

(三)美国芯片公司对离岸外包的过度依赖,已经对美国的国家安全构成了威胁,例如造成美国芯片技术外泄、假冒伪劣芯片混入美国市场、美国芯片供应链受外部因素(自然灾害、地缘政治冲突)影响等。

芯片对人工智能发展的重要作用

从美国国家安全的角度来看,弥补美国芯片制造业的短板是头等大事。目前,中国正围绕着“十四五”发展规划,稳步推进其国防和军队现代化目标,并大力投资人工智能、量子计算、高超声速、微电子等新兴技术。美国国家人工智能安全委员会(NSCAI)于2021年发布的研究报告指出,如果一国长期在芯片领域领先于美国,或者具备切断美国芯片供应链的能力,那么这个国家就可以在所有的军事领域(陆、海、空、太空、网络空间)挑战美国。芯片对于人工智能的发展有着不可替代的作用,人工智能足以使现代战争形态和作战方式发生重大改变,世界各主要国家军队已将人工智能视为决定未来战争胜负的关键技术。

人工智能使计算机具有分析问题和自动解决问题的能力,但其智力和工作效率却远超人类。日本防卫研究所(NIDS)称:“人工智能不会疲劳,不受情绪影响,可以记住几乎无限的知识,因此能够快速、准确地处理海量数据,以及协助人类作战。”按照美国参议员朗斯(Mike Rounds)的说法,在未来的军事对抗中,没有任何军队能够在不使用人工智能的情况下,打败人工智能程度高的军队。与人工智能相比,人类无法在每秒做出成百上千个决策,也无法反制由人工智能执行的军事打击。如果不加快军事人工智能的发展,美国的绝对军事优势可能会在未来10年内丧失。

人工智能系统是通过具有尖端芯片技术的互联计算机运行的,其芯片要远胜于中央处理单元(CPU)。美国乔治城安全与新兴技术中心(GCSET)表示,最先进的人工智能芯片的效率甚至能够达到通用芯片的1000倍。要是换算成摩尔定律,则CPU需要26年时间才能达成这种程度的提升。因此,人工智能系统的强弱取决于芯片的性能,而高级人工智能系统通常具有高性价比、研发周期短、便利性等特点。

高级人工智能系统主要使用7纳米或5纳米芯片,但美国尚不具备生产这两类芯片的能力。目前,英特尔公司已经成功研制出基于10纳米制程、可用于人工智能系统的可编程阵列逻辑(FPGA),并计划于2022年下半年在美国本土量产7纳米芯片。台积电已在亚利桑那州建厂,预计于2024年量产5纳米芯片。据多方消息透露,三星和台积电3纳米芯片的研发已处于最后阶段,有望于2022年下半年投产。显然,美国在芯片制造上已经落后于时代。

美国对台积电的依赖

现在全球最先进的芯片大约有92%由台积电生产,许多美国芯片公司几乎都将芯片外包给台积电代工,其中包含大量军用芯片。美国国家人工智能安全委员会副主席沃克(Robert O. Work)警告称,提高美国芯片供应链的韧性和安全性刻不容缓。美国的芯片制造技术已经落后台积电两代,而且台积电所在的位置离中国大陆仅110英里,这对美国的国家安全构成了重大威胁。

目前中国所有最先进的芯片也都是由台积电代工。换言之,美国和中国乃至全球对台积电的依赖,让台积电成为地缘政治争夺焦点。在美国全面围堵华为之际,特朗普政府曾试图劝说台积电减少对华为的芯片供应。此外,台积电位于自然灾害多发地区,一旦遭遇自然灾害袭击,可能会面临停产,这对全球经济的影响是难以估计的。

美国对军用芯片的需求要远大于人工智能芯片。美国F-35战斗机和美国雷达使用的芯片,都是由台积电制造的。现场可编程门阵列(FPGA)芯片是美国军用设备不可或缺的关键组成部分,由美国赛灵思公司(Xilinx)设计,台积电主要负责生产该芯片的晶圆。FPGA芯片也可用于商业用途,但军用FPGA芯片比商用FPGA芯片具有更强的耐热和耐辐射性能,目前台积电承接了几乎美国所有的晶圆制造业务。

对台积电的过度依赖也会在一定程度上对美国的经济安全构成威胁。几乎所有用于美国智能手机、5G通信系统、显卡和数据中心处理器的芯片都是由台积电制造的,这就是为什么美国政府一再要求台积电在美国本土设厂。

美国芯片制造本土化面临的障碍

多年来,美国军方一直致力于军用芯片生产本土化。然而,芯片技术的发展主要是由商业目的推动的。出于竞争的需要,美国芯片公司已将大部分商用芯片的生产、组装、测试、包装等环节外包给外国芯片制造商。而随着时间的推移,一些外国芯片制造商在代工美国芯片的过程中得到了飞速发展,其实力甚至大大超过了美国芯片制造商,台积电就是最突出的例子。

为了确保美国芯片供应链的完整性,美国军方于2003年启动了《可信代工计划》。根据该计划,美国国防部将军用设备的核心部分交由特定的美国公司代工,而军用设备的非核心部分则通过商业现货(COTS)获得,迄今为止参与该计划的美国公司(即“可信代工厂”)已超过75家。“可信代工厂”为美国军方供应大约2%的军用设备,其中大部分涉及一级军事机密。

尽管该计划进展顺利,但仍面临诸多挑战,例如:

(一)商用设备更新换代的速度要比军用设备快得多,但商用设备芯片的寿命却远不及军用设备芯片。因此,在一般情况下,美国军用设备中有一部分为老一代的商用设备部件,一旦新一代的商用设备大批进入市场,老一代的商用设备部件可能将面临停产的局面。

(二)美国芯片制造商尚无法完全满足美国军方的要求。某些军用设备的制造需要使用特殊材料(例如砷化镓、氮化镓和碳化硅)和技术,而这些材料和技术并未广泛应用于商业领域。迄今为止,没有一家美国芯片制造商能够独立制造相关设备。

(三)军用芯片只占美国芯片市场的一小部分,这使得许多美国芯片制造商不愿承接军用芯片订单。

(四)美国政府内部缺少统一、跨部门的微电子战略。此外,芯片采购工作异常复杂且过于分散,进而导致军用芯片技术更新缓慢。

(五)《可信代工计划》易受商业环境变化的影响。例如,2017年,格罗方德半导体股份有限公司(Global Foundries)收购了国际商业机器公司(IBM)在纽约东费什基尔的“可信代工厂”。随后,为了谋取更大的市场份额,该厂终止了7纳米芯片的研发,转而生产老一代芯片,其结果直接导致美国军方失去了7纳米芯片的本土来源。

结语

综上所述,美国芯片制造业的“空心化”,迫使美国军方将芯片制造转移至海外,但存在诸多风险。只有确保美国芯片供应链的韧性和安全性,以及获得美国芯片公司对军用芯片的大力支持,美国才能够保持对潜在对手的军事优势。

目前最大的挑战是如何吸引美国芯片制造商回流。如果要实现这一目标,拜登政府需要与工业界协商,对美国芯片制造商给予补贴,并获得两党的共识。考虑到近年地缘政治冲突、新冠大流行对芯片供应链的影响,拜登政府必须不惜一切代价,鼓励美国芯片制造商回归本土。

美国芯片制造商回归本土后,拜登政府需要提供政策引导与扶持,以确保其健康发展。但随着竞争对手的步步紧逼、技术发展的日新月异、全球芯片供应链的不断扩展,拜登政府应通过各种内部机制来维持对美国芯片制造商的长期支持。如有必要,可以考虑通过非官方途径对相关企业予以更大力度的支持。

译者:曾辉,华南理工大学公共政策研究院研究助理。

发布时间:2022年07月04日 来源时间:2022年07月04日
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