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日荷被迫加入芯片围剿战, 只揭开美国布局的冰山一角

作者:吴泽林、尚修丞   来源:欧亚系统科学研究会  已有 598人浏览 字体放大  字体缩小

导读:在当地时间1月27日拜登政府结束的华盛顿谈判中,美国已与荷兰和日本达成协议,限制向中国出口某些先进芯片制造设备。此次协议将扩大美国2022年10月采取的出口管制措施至荷兰和日本两国的公司,包括荷兰的阿斯麦、日本的尼康和东京威力科创。高端半导体是中美两国之间日益激烈的科技战争的中心,华盛顿称此举旨在防止技术外泄和转为军用,该协议也意味着拜登政府在努力阻止中国作为科技超级大国崛起方面的一个阶段性成果。

在新冠疫情大流行和乌克兰危机的叠加影响下,全球半导体产业链遭受重大冲击,美国等主要大国均开始构建自主可控的半导体产业链,美国也对华发起全面竞争。美国半导体产业基础较强,但在制造能力特别是先进制程工艺上较为薄弱,严重依赖东亚地区,这被美国认为可能引发自然灾害、地缘政治、公共卫生以及基础设施破坏、网络攻击等一系列风险,中国更是被美国视为半导体产业链的最大风险点,重塑半导体产业链成为拜登政府执政后的重要议题。为此,美国政府通过动态精准打压对华半导体产供链、强化技术研发并推动先进半导体企业赴美建厂、构建半导体产业链联盟等方式,试图弥补制造能力的短板并掌控尖端芯片技术。2022年8月正式出台的《芯片和科学法案》成为实现这些目标的重要举措。

作为国家间长期竞争的战略性产业,各国都在吸引世界上先进的半导体厂商投资建厂,构建更加自主和完整的半导体产业链,半导体制造成为其中的重点内容。近年来,美国重塑半导体产业链的举措,在一定程度上能够提高美国的先进半导体制造能力以及对尖端技术的控制力,满足美国关键基础设施领域的市场需求、供应稳定和经济安全。但其中类似此番持续向荷日两国施压,要求其配合对华出口管制的极端“去全球化”政策,便是试图用国际竞争思维去主导国家间正常的产业合作以及科技竞争,会迫使其他国家和半导体企业在中美之间“选边站队”,加剧芯片补贴竞赛和人才竞争,使贸易和技术合作深受地缘政治影响,加速各国半导体产业链本土化进程。 欧亚系统科学研究会特编发本文,供读者思考思考。

美国重塑半导体产业链的逻辑

文|吴泽林、尚修丞

在近年美国对华发起全面竞争、新冠肺炎疫情(以下简称疫情)大流行和乌克兰危机的叠加影响下,全球半导体供应链和产业链遭受重大冲击,在生产和运输方面不断受创,全球“缺芯”现象长时间延续,致使芯片价格上涨,交货期限延长,企业大量囤积,对全球多个行业造成极大影响。对此,主要半导体大国纷纷出台战略举措,增强技术研发和供应链韧性。韩国政府于2021年5月发布《K-半导体战略》,提出未来10年将斥资4500亿美元建设全球最大的芯片制造基地,使出口总额增加到2000亿美元,建成全球顶级半导体供应链。2021年6月,日本政府宣布确立半导体数字产业战略,将加强与海外合作,联合开发尖端半导体制造技术并确保生产能力;加快数字投资,强化尖端逻辑半导体设计和开发;优化国内半导体产业布局,加强产业韧性。2022年2月,欧盟推出《芯片法案》(A Chips Act for Europe),拟动用超过430亿欧元建立完整、有弹性的半导体产业链,使2030年的生产份额达到20%,推动实现半导体的自主可控。此外,德国、西班牙、印度等国也宣布加强投资或补贴力度,发展本土芯片产业。

“缺芯”对美国多个行业的影响尤为突出。美国商务部副部长唐·格雷夫斯(Don Graves)曾谈到,美国半导体行业面临两大危机,一是半导体供应短缺扰乱了汽车、消费电子等多个关键行业,造成企业裁员和经济复苏放缓;二是美国在半导体供应链的“长期领导力”面临威胁。美国政府认为,这些危机对美国经济和国家安全造成重大威胁。为此,拜登政府上台伊始就签署行政令要求对包含半导体在内的四大关键领域供应链进行审查。2021年6月发布的《百日供应链审查报告》中的第一部分就对中美两国在半导体领域的优势和弱势及发展趋势进行研究,并提出应对之策。由此,拜登政府将重塑半导体产业链视为一项重要议程。作为一个标志性的举措,经过美国参众两院一年多的协商,2022年7月,《芯片和科学法案》(CHIPS and Science Act)从参议院2021年6月通过的《创新与竞争法案》和众议院2022年2月通过的《竞争法案》中分离出来进行单独立法。8月9日,美国总统拜登正式签署法案,使其正式成为法律。根据该法案,美国政府将在未来几年为人工智能、机器人技术、量子计算等前沿科技提供2000亿美元的科研经费支持。在半导体领域,将在5年内提供527亿美元资金,其中,为美国芯片基金提供500亿美元,为美国芯片国防基金提供20亿美元,为美国芯片国际科技安全和创新基金、美国芯片劳动力和教育基金分别提供5亿美元和2亿美元。法案也将为企业提供价值240亿美元的税收抵免。此外,法案禁止接受联邦政府资助的企业在对美国构成国家安全威胁的国家建设或扩大先进制程晶圆厂。可以看到,美国政府已重拾曾遭其严厉批判的产业政策,强力干预前沿技术领域,以期持续巩固技术优势。同时,《芯片和科学法案》发布的事实说明(Fact Sheet)直接将对抗中国(counter China)作为标题的一部分,诠释了法案针对中国、限制中国技术发展的企图,充满了浓厚的地缘政治色彩。

1 美国半导体产业基础及其风险

从半导体产业的发展历程看,虽然发明和大规模生产来自于美国硅谷,但迅速拉动这一需求上升的是美国政府和军方。正是基于美苏冷战和太空竞赛的需要,20世纪50-60年代,美国军方大量采购半导体设备,峰值时接近全部产出的一半,孕育了美国半导体工业成为国际技术与产业的领导者。虽然20世纪80年代,美国半导体产业一度遭到日本的挑战和赶超,但在对日本的打压和大力扶持国内半导体产业之后,美国再度复兴并保持领先优势至今。

经济全球化和国际分工的深化,使包括美国在内的发达国家的制造业向广大发展中国家转移,半导体产业中附加值较低的制造和封测等环节也逐步与设计环节分离开来,呈现出全球分散和区域集中的特征。从全球分布看,美国在半导体设计环节占据明显的主导地位,在设备和材料领域具有优势,制造和封测环节由东亚国家主导。实际上,由于半导体产业在资金投入、人才需求、资源禀赋、科技环境、集群生态等方面要求严苛,虽然2021年全球半导体市场规模达到5560亿美元,但能在其中扮演重要角色的国家并不多,总体上就是美国、日本、中国、韩国、德国、法国、意大利、马来西亚、新加坡、越南、泰国等。基于专业化分工,半导体产品的整个生产过程需要跨越各国边境70次以上,全程达到100天。也正是基于这一分布,美国半导体产业在不同环节呈现出不同的发展态势。

(一)美国半导体产业基础

2001年—2021年,美国半导体企业的销售额从711亿美元增长到2575亿美元,复合年增长率为6.65%,全球市场份额已达46%,处于全球领先地位,排名第二的韩国仅有不到美国一半的份额。半导体产品是美国第五大出口产品,2021年出口额达620亿美元。半导体产业基础可以从设计、制造、封测、设备、材料这五个方面展开。美国半导体设计能力全球领先,全球前三大设计公司高通、博通、英伟达皆为美国公司。作为芯片设计的基础,电子设计自动化(EDA)基本上被美国企业新思科技(Synopsys)和铿腾电子(Cadence)主导。根据美国半导体行业协会(SIA)和波士顿咨询公司(BCG)的报告,2019年美国在电子设计自动化和IP核领域的市场份额达到74%。美国的制造设备同样具有优势,全球前五大半导体设备商中有3家是美国企业,即应用材料(Applied Materials)、泛林集团(Lam Research)和科磊(KLA Corporation),3家企业的市场份额占到37.6%。此外,与芯片设计具有高集中度相同,大多数制造设备的市场份额集中于一家或几家头部企业。比如,应用材料在物理气相沉积设备的占比达到85%,在氧化炉、离子注入机、化学气相沉积设备、抛光机等也具有较强的技术和市场优势,泛林集团在刻蚀机市场的占比超过50%。虽然,光刻机由荷兰阿斯麦公司(ASML)占主导并垄断了极紫外(EUV)光刻机市场,但美国可以凭借《瓦森纳协定》干预其出口,对光刻机的流向具有较强的话语权。在材料领域,美国企业也占有可观的市场份额。比如,美国公司占据了40%的掩膜版市场份额。慧瞻材料(Versum Materials)、艾万拓(Avantor)、霍尼韦尔(Honeywell)在电子气体和湿电子化学品方面具有一定的行业实力和地位。

支撑美国半导体设计、设备和材料优势地位的是规模庞大的研发支出。2000年—2020年,美国半导体行业研发支出的年复合增长率约为7.2%,2021年的研发支出为502亿美元,占销售额的比重高达19.5%,仅次于美国的制药和生物产业,也高于其他国家的半导体产业。美国企业是技术研发的主体。企业市场规模和研发投资规模的良性互动使公司能获得足够的利润回报,现有研发的专业知识积累也构成了后来者进入和追赶的自然障碍,导致供应商市场份额愈发集中,最终形成“强者恒强”的局面。在科研方面,美国与中国并列近十年半导体领域科学论文发表数量最多的两个国家,但美国每项半导体专利的平均被引用量是其他国家的3至6倍,凸显了美国学术生态系统的实力。高度集聚的头部企业配合强大的科研实力,美国得以留住和招徕大量人才,全球顶级半导体公司雇佣的参与设计的工程师中,约有50%在美国工作。

美国半导体产业的弱势凸显在制造环节,主要原因是国际产业分工和建设及运营成本的大幅上升。20世纪80年代,随着半导体行业垂直分工的加剧,美国企业逐步放弃自营的晶圆厂,将资金集中投入到更具竞争优势和利润空间的设计环节。同时,半导体制造技术更新迭代迅猛,高涨的费用迫使诸多美国企业放弃对先进晶圆厂的持续投资。当今,5纳米晶圆厂的建设成本至少为120亿美元,更先进的3纳米工厂的成本可能超过200亿美元且后续运营成本更为昂贵。芯片制造还需要大量的水和电。鉴于美国逐渐放弃制造环节,从21世纪初至今,美国半导体制造的市场份额已从37%下降到12%,落后于中国台湾地区和韩国等地。过去10年,美国以外地区芯片产出的增长速度是美国的5倍。当前,美国有33家企业在18个州建有71座晶圆厂,涉及27.7万个高薪岗位,额外支持160万个就业岗位。即便如此,其生产能力仍在不断削弱。目前,美国仅存的先进制程工艺是英特尔运营的10纳米晶圆厂,7纳米工艺预计到2023年量产。至于更先进的5纳米工艺,只有台积电和三星具备生产能力,美国在先进制程上的技术优势已基本丧失。此外,随着各国对先进封装的需求增加,其已成为半导体产业的新增长点,但美国在封装环节的全球占比仅为3%,主要份额仍在东亚地区。

(二)美国半导体产业链风险

审视美国半导体产业基础,其在设计、设备、材料等领域有较强的技术和竞争优势。作为“链主”对全球半导体产业链有较强的主导力和控制力,但在尖端制造和先进封装等环节较为薄弱,特别是在10纳米以下制程的制造能力上处于空白。从发展看,到2030年,美国的产能份额将进一步下降到10%,而亚洲产能将增加到83%。再加上不少国家正加大支持力度,出台各类资金补助、补贴、税收抵免等优惠政策,而美国联邦政府在《芯片和科学法案》出台之前始终缺乏大规模的激励政策。这就使美国感受到极大的危机感和紧迫性,迫使其关注潜在风险,防止可能出现的风险点对供应链造成的中断。对美国来说,半导体制造集中于东亚会带来一系列风险,包括:(1)自然灾害风险。例如,东亚处于环太平洋地震带,2011年日本大地震致使25%的硅片供应受影响,数家晶圆厂关闭长达数月。2021年中国台湾地区遭受旱情,虽然台积电的用水得到全力保障,但无疑暴露出生产中的脆弱性。(2)地缘政治风险。东亚各国原本存在一些尚未解决的领土争端和非传统安全风险,近年来随着世界各国投入巨大资源介入,更是成为大国博弈的前沿。2019年韩日两国的政治紧张使日本限制向韩国出口光刻胶等3种半导体关键材料,影响了韩国每月大约70亿美元的半导体出口。(3)公共卫生风险。由于半导体产业链在全领域的高集中度,新冠肺炎疫情不仅影响相对高技术的制造环节,技术水平相对较低的环节如出现风险,也会引发全球芯片危机。2021年全球封测基地马来西亚为控制疫情采取“全面封锁”政策之后,美国几家工厂随即停工,全球“缺芯”状况加剧。(4)其他风险,还包括基础设施破坏、网络攻击等。

在设计、研发、设备、材料等多领域有较强技术和竞争优势的美国,很难容忍在制造环节出现“受制于人”的状况,也在极力避免某一风险点对整条供应链带来的较大影响。实际上,中国大陆与美国在半导体全产业链环节存在很大差距。在产业链中扮演重要角色的中国台湾地区、韩国、日本、荷兰、马来西亚等,都与美国有紧密的联系。但基于拜登政府已明确把中国视为首要挑战者,中国无疑被美国视为半导体产业链的最大风险点。美国政府认为,风险来源之一是中国对各环节的巨大投入将使其成为半导体的全球领导者,之二是美国对中国市场的巨大依赖。基于这一认知,拜登政府在上任后不久发布的《临时国家安全战略方针》就提出“美国必须恢复其持久的优势,以便能够以强大的实力迎接今天的挑战。”2022年7月,美国商务部长雷蒙多和国防部长奥斯汀在致函国会的联名信中指出,“中国决心成为未来产业的全球领导者,美国第一次面对这样一个战略竞争对手,如果不参与竞争,中国将有能力和资源做到这一点。”可见,科技霸权对于维持美国国际领导地位至关重要,是美国进行国际政治斗争的有力手段和维持国际威望、世界影响的重要保证。

2 美国重塑半导体产业链的举措

美国重塑半导体产业链的目标不仅是弥补制造能力的短板,解决芯片短缺问题,更在于掌握和控制尖端芯片技术,实现先进技术研发与产业能力提升之间的融合,促进美国新兴领域的经济大循环。这一方面能够确保美国关键基础设施的应用安全,这些设施包括航空航天和国防系统、核心电信网络、超级计算机以及政府、能源、交通、医疗和金融服务等关键领域的数据中心,这部分的消费份额大约占美国市场的9%。也就是说,对尖端芯片制造能力的扶持能够维持“最小可行产能”(minimum viable capacity),以最低限度应对产业链风险,提高产业链弹性并保障经济和国家安全。另一方面,芯片是未来产业的核心,掌握尖端技术能够确保美国在今后的技术霸权,并在与中国的竞争中取得优势地位。这也充分解释了为何全球成熟芯片同样紧缺,但美国政府的关注和投入主要在下一代芯片技术上。为达到目标,美国重塑半导体产业链主要采取三大措施,一是动态精准打压对华半导体产供链,二是强化技术研发并推动先进半导体企业赴美建厂,三是构建半导体产业链联盟。

(一)动态精准打压对华半导体产供链

自特朗普政府时期,美国政府就开启了对华半导体“脱钩”策略。2018年8月,美国商务部以国家安全和外交利益为由,将44家中国企业列入出口管制“实体清单”,正式开始对中国进行技术封锁。2019年5月,美国商务部将华为及其114家海外关联公司列入“实体清单”,向华为出口美国产品的公司必须获得许可证。2020年9月,美国对华为的新制裁禁令正式生效,所有使用美国技术的厂商,向华为供货必须获得美国政府的许可。这使华为无法再通过代工或采购的方式获得高端芯片。11月,特朗普总统签署行政令,禁止美国投资者投资包括华为、海康威视在内的“与中国军方有关联”的31家中国企业。12月,美国商务部将中芯国际列入“实体清单”,限制其获取美国关键技术的能力。拜登政府上台后,美国继续升级对中国半导体打压的范围和力度。2021年3月,美国联邦通信委员会和国土安全局将华为、中兴、海能达、海康威视、大华科技列入“不可信供应商名单”,将在美国拆除这些公司生产的部分产品。同年7月和12月,美国商务部又分别将23家和34家中国实体列入“实体清单”,均涉及半导体企业。在持续升级打压之下,美国也更加积极地采取动态精准策略,即制裁范围不限于先进技术工艺,而是将所有中国大陆无法掌握的技术工艺纳入制裁范围,并根据中国大陆半导体技术工艺的发展进行动态调整。比如,美国此前已禁止在未经许可的情况下出口10纳米以下技术的芯片设备,但美国当前认为中国掌握的技术水平是14纳米及以上工艺,因此正考虑修补“漏洞”,将制裁范围从之前的10纳米以下提高到14纳米以下,即禁止供应商对位于中国大陆的厂商提供14纳米以下芯片制造设备。2022年8月,半导体设备巨头科磊称,已收到美国政府限制出口中国大陆14纳米以下先进半导体设备的备忘录。

基于美国并非在半导体所有领域拥有先进技术,美国也正积极同其他国家探索半导体技术协同共管的可行性,推动对华“脱钩”议题上的一致。特朗普政府时期,美国就多次在国际场合劝说其他国家在5G网络建设中排除华为产品,并建立排除中国的信息通信技术产业联盟。拜登政府上台后,美国继续在多边机制和双边合作中开展半导体关键技术出口管制合作。目前对半导体的出口管制以“瓦森纳安排”为主,由42个成员国组成。美国已在框架内着手对半导体领域的元器件、设备、材料、软件和技术进行修订。2021年12月美国推动各国就电子设计自动化、金刚石和氧化镓控制达成共识,于2022年8月实施出口管制。同时,拜登政府以技术和民主价值观、供应链韧性等为借口,拉拢欧盟部分成员国、日本、中国台湾地区等,探索双边合作机制。比如,2021年6月的美欧峰会成立了美欧贸易和技术理事会,下设出口管制工作组,在2022年5月的第二次理事会会议上,双方强调在第三次会议上将就半导体等关键技术出口管制联合第三国。此外,荷兰已表示,可采纳美国商务部的最终用户名单方式,并计划对非清单物项实施“全面管制”。日本也表达了修改出口管制体制,同美国构建新多边机制的意愿。两国也已同美国达成非正式谅解,将就极紫外光刻机出口许可政策进行协同,三方可以对许可否决情况进行信息共享,以达到协同否决,不留技术漏洞的空间。此前,为限制中国先进芯片制造能力,在美国的施压下,光刻机巨头阿斯麦没有向中国大陆提供最先进的极紫外光刻机,限制了中国大陆的技术发展。2022年以来,美国认为主要用于10-130nm的深紫外光刻机对中国大陆同样属于先进设备,并可能被用来实现技术突破,因此持续向荷兰施压,要求阿斯麦对华禁售这一不太先进的光刻机。这可以说是美国滥用国家力量,利用技术霸权搞技术垄断的技术恐怖主义行为。

美国对华芯片制裁包含在高技术遏制的范畴内,也是打压的核心领域,长期目标不会改变。通过制裁、断供及与盟友的协调,美国发起动态精准的“阻击战”,意图将中国限制在美国所期望的范围内,长期保持与美国的技术代差,并由此限制中国高端民用技术和先进军事技术的发展。这一做法也正在向人工智能等其他新兴领域推开。

(二)强化技术研发并推动先进半导体企业赴美建厂

一直以来,美国半导体公司的研发支出及其占总营收的比重领先于其他国家。2021年,全球半导体公司研发支出的56%来自美国公司,仅英特尔的研发支出就占到19%。不过,美国联邦政府的资金支持力度不足,落后于很多国家。由于半导体行业具有高投入、高风险、长周期等特点,且中国半导体产业的快速发展及政府的大力投入也引发了美国的担忧,诸多美国政府高官、企业和行业协会呼吁联邦政府加大支持力度,增强美国半导体生态优势。为此,拜登政府把加大对科学技术、基础研究和人才建设的投入也作为重要议题,决心重拾产业政策,深度参与新兴技术研发,扭转联邦政府研发资金多年来的下滑趋势,并扩充科学、技术、工程和数学领域的人才储备。

为科学统筹半导体发展布局,拜登政府聘请超威半导体总裁兼首席执行官、半导体设备和高性能处理器专家苏姿丰(Lisa T. Su)作为总统科学技术顾问委员会(President’s Council of Advisors on Science and Technology)成员,就半导体创新政策提供建议。从《创新与竞争法案》到《竞争法案》,再到正式出台的《芯片和科学法案》,美国参众两院始终要求联邦政府对包括半导体在内的新兴领域加大资源投入,确保美国的全球领导地位,对于其中的芯片法案始终拥有较大共识。根据《芯片和科学法案》,美国政府将在5年内为包括国家半导体技术中心和国家先进封装制造在内的研究项目拨款110亿美元,前者将成为美国半导体人才、知识、投资、设备和工具的中心,后者意味着美国政府已经意识到,虽然封装属于技术含量相对较低的环节,但先进封装也可能实现“卡脖子”功能,这是美国补齐另一块短板,完善半导体产业生态的又一举措。

为提高半导体制造能力并掌控尖端技术,特朗普政府时期就开始大力推动先进半导体企业赴美投资建厂。2021年以来,半导体行业已宣布到2025年在美国新增投资近800亿美元,包括三星、英特尔、台积电、德州仪器、格芯、SK集团、美光等都已宣布新建工厂或研发中心。其中,美国政府的重点是促进全球仅有的有能力生产7纳米以下芯片的台积电和三星赴美建厂。2019年,台积电在10纳米以下节点的市场份额达到92%,三星为8%。在《芯片和科学法案》为芯片产业提供的527亿美元中,390亿美元将用于芯片制造,但其中仅有20亿美元用于成熟芯片,两者相差近20倍。可见尖端芯片是美国技术发展的重点,资金将主要用于补助英特尔、台积电和三星的在美建厂项目。2020年—2022年,美国先后与三星、台积电和英特尔达成协议。台积电选址亚利桑那州凤凰城,投资120亿美元,计划2024年量产,每月生产2万片5纳米工艺芯片。三星选址德克萨斯州泰勒市,投资170亿美元,计划2024年投产。英特尔将投资200亿美元在俄亥俄州兴建工厂。基于技术优势、市场份额和风险担忧,美国对台积电更为关注。特朗普当选总统后就多次发出邀请。不过,台积电基于美国生产成本高、人才短缺、政策支持不够等原因一直没有回复具体计划。台积电和三星最终决定赴美建厂,一方面基于其自主考量,另一方面也是美国运用各类手段的结果,包括利用和增强市场依赖、提供政策激励、将议题政治化。

第一,利用和增强市场依赖。2010年以来,半导体行业快速发展,美国消费市场发展尤为迅速。2019年,美国公司在大型个人电脑和信息通信基础设施应用市场占据约45%的市场份额,在智能手机和工业设备方面的份额约30%。行业的飞速发展和美国较大的市场份额,极大推动了对芯片的需求,推高了晶圆代工厂的营收,也使美国拥有了更大的市场权力。2010年~2021年,台积电的营收从4195.4亿新台币上升到1.59万亿新台币,其最大市场是美国,2021年来自美国的营收突破1万亿新台币,占总营收的64%,而来自中国大陆的营收为1645.5亿新台币,份额仅为10%。2021年,苹果继续保持台积电的第一大客户,营收占比高达25.4%,其他主要客户包括超威、联发科、博通、英伟达、高通、英特尔等,营收占比在7%~9.2%之间。可以看到,台积电的客户主要来自美国且苹果就占到四分之一。2022年第一季度,三星电子在美国智能手机市场的占有率为28%,创近8年新高,美国基于对最终消费市场的把控,对晶圆代工业务产生直接影响,其作为一种常量,在近年也作为一种变量,发挥重要作用。就常量而言,一直以来,台积电和三星在美国的营收保持较高比重,是企业利润和研发下一代技术工艺的重要来源。今后,半导体消费市场主要在中美两国,欧洲、日本等其他地区所占比重均不高。就变量而言,一是,美国通过制裁华为,也中止了华为与台积电和三星在尖端芯片的代工合作,两家企业虽然失去了一位占较大份额的重要客户,但对营收的影响较小。制裁之后,华为的份额很快被美国客户取代。二是,英特尔为确保供应链安全,已开始与台积电合作且要持续到2025年后的2纳米时代。这一合作已经使英特尔在台积电的客户排名从2020年的第11位上升到2021年的第7位。三是,三星力求在2030年赶上台积电,寻求与美国的技术合作,并与台积电争夺美国客户。因此,在美国对华发起全面竞争,特别是对华为制裁的背景下,无论从常量还是变量看,美国一直以来并将继续是台积电和三星最重要的市场。巨大的市场份额成为两家企业赴美设厂的重要因素。台积电和三星在尖端芯片代工业务与客户的关系已由过去对中美两国的双重依赖转变为近年及今后较长时期对美国的单一依赖。

第二,提供激励政策。晶圆制造作为资本密集型行业,其建设和运营需要大量资金投入。制程越先进,投资额越大。美国半导体行业协会的研究表明,政府的激励措施通常会减少企业的建设和经营支出,有效的政策激励可以抵消新工厂15%到40%的总资本支出。正是由于高昂的成本和美国薄弱的激励措施,台积电董事长刘德音曾多次表示,赴美设厂“资金、运营成本是挑战”。美国很早就意识到这一问题,《芯片和科学法案》实际上以之前国会两党议员提出的多部相关法案为基础,除了《竞争法案》、《创新与竞争法案》外,还包括2020年的《美国晶圆代工法案》和2021年的《促进美国制造的半导体法案》等,这些法案都涉及对半导体工厂的建造和运营提供补贴或税收减免。除了联邦政府的政策激励,地方政府也给予了较大的优惠措施。台积电选址的亚利桑那州具有税赋低廉、法规简便、投资优惠措施到位、半导体生态完整等优点,凤凰城还将提供2.05亿美元的市政基金,改善工厂的基础设施。而三星选址的泰勒市将为其提供10亿美元的税收减免。这对晶圆制造来说也是极为重要的。

第三,将议题政治化。半导体产业已被美国政府高度政治化,提高到了国家安全的战略层面。拜登总统和商务部长雷蒙多等官员多次强调半导体产业涉及美国经济和国家安全。在引导台积电赴美设厂过程中,美国将议题政治化、武器化,以胁迫性施压迫使其不得不赴美设厂。台积电董事长刘德音曾坦言,赴美设厂是由客户的政治推动而促成的。2019年,美国政府便开始向台积电施压,五角大楼联系了多家台积电客户,警告他们依赖台湾公司的安全隐患。2020年以来,美国政府、国会议员、美国在台协会等多次就半导体供应链与台湾当局会谈,表示会共同支持美台企业的半导体供应链合作。同时,美国媒体也不断向台积电喊话施压。2020年5月,美国商务部和国防部正式“约谈”台积电,可以被视为对其施加了更大和更直接的压力。而台积电在与最大客户苹果讨论后,正式宣布赴美建厂。宣布几小时后,美国商务部再度追加对华为的禁令,彻底阻断了台积电与美国合作的同时向华为出售尖端芯片的想法。在美国的胁迫下,台积电的回应从“没有在美建厂的计划”到“高昂的成本谁来负担”,再到“仍在评估中,尚无具体计划”,最后到确定建厂,态度的逐渐转变可以看到政治因素发挥了重要作用。美国同样对三星施加胁迫性压力。因向韩国前总统朴槿惠和其亲信崔顺实行贿,三星电子副会长李在镕于2021年1月被判入狱,在韩美国商会因担心此事影响三星赴美建厂计划,积极游说和敦促韩国政府将其赦免,甚至警告称“如果三星不能充分参与支持拜登的努力,韩国作为美国战略合作伙伴的地位将受到威胁。”同年8月,李在镕获得假释,并于11月访问美国并决定建厂计划。

(三)构建半导体产业链联盟

美国除了在本土构建半导体全产业链之外,也与盟友和伙伴积极构建半导体产业链联盟,一方面促进各国半导体技术优势互补,进一步提高研发实力和先进制造能力,另一方面试图以产业链闭环将中国排除在先进半导体技术之外。主要包括:第一,强化同日本和韩国的技术合作。美日两国已同意建立先进半导体联合研发中心,开发2纳米芯片,计划在2025年前投产。美韩在2022年5月拜登总统访问韩国时宣布建立“技术同盟”,在半导体、6G、人工智能等新兴领域加强合作。第二,美国提议与韩国、日本和中国台湾地区建立芯片四方联盟,利用美国的芯片设计能力和设备、韩国和中国台湾地区的制造能力、日本的材料、元器件和设备方面的优势,掌握半导体产业的上中下游,建立稳定和闭环的产业链。第三,增进美欧合作与协调。2021年成立的美欧贸易和技术理事会旨在联合研发先进技术,打造以美国为主导的技术治理多边体系。在同年9月的对话中,双方表示将共同采取措施提高半导体供应链的透明度,识别差距、共同弱点和机遇来加强半导体研发和制造生态。第四,以美日印澳为基础构建半导体供应链。美日印澳在2021年9月的峰会上发起半导体供应链倡议,加强半导体及其关键部件的供应链安全。2022年5月的峰会发布《关键技术供应链共同原则的声明》,提出推动半导体和其他关键技术合作,形成多样化和具有竞争力的半导体市场。第五,以“印太经济框架”建立符合美国价值观、经贸规则和技术标准的“小圈子”。2022年5月,美国宣布启动旨在争夺亚太经济影响力的“印太经济框架”,指出要提高供应链的透明度、多样性、安全性和可持续性,确保半导体等关键技术的可获得。第六,2022年8月,美国宣布与中国台湾地区启动“台美21世纪贸易倡议”谈判。此举或将助力美台半导体产业链合作,助长中国台湾地区与中国大陆的经济“脱钩”态势。

可以看到,美国以增强供应链韧性为借口,通过构建美日、美韩、美欧、美台、芯片四方联盟、美日印澳、“印太经济框架”等多圈层的产业和技术联盟,试图在先进半导体产供链上形成封闭的经济循环,这种阵营化的手段使美国参与的芯片合作呈现出浓厚的地缘政治色彩。从长远看,半导体行业的发展机遇有赖于人工智能、物联网、量子计算等新兴技术的发展融合,美国也将把同盟友和伙伴的合作进一步拓展到这些前沿应用领域。如此一来,配合美国对供应链的监管,美国得以依托半导体产业联盟,在全球建立起将政府、企业、研究机构、人才和物流有机联系在一起的圈层体系。在体系内,美国掌握半导体尖端技术,确保先进制造和优先供应,避免供应链风险。对体系外的国家实现技术封锁,将其锁定在低端环节,以此强化对半导体全产业链的控制力和领导力。

3 美国重塑半导体产业链的挑战

2020年以来,全球半导体需求持续增加。美国半导体行业协会预测,2020年—2030年,全球半导体生产能力将增加50%以上。而台积电、三星、英特尔等企业在美国本土建厂将使其可能进入重获先进生产能力的机遇期。不过,要真正增强美国半导体的制造能力,占据半导体制造技术的领先地位,美国还面临一系列挑战。

第一,《芯片和科学法案》难以使美国摆脱对东亚的依赖,也难以使其占据芯片尖端制造技术。应当来说,《芯片和科学法案》的出台更加顺利地推动了英特尔、台积电、三星等企业的赴美建厂计划,建成后在短期内也可以帮助美国确保关键基础设施所需要的先进芯片,并且会吸引更多企业加大对美国的投资,分散和限制半导体企业对中国的投资,但要大规模地把尖端芯片的制造能力带回美国,摆脱对东亚的依赖,并达到遏制中国半导体产业发展的目的,美国恐怕达不到这些预期。一是,随着制程工艺的复杂和进步,晶圆厂的建设成本迅速提高。现在如果建设一家先进的芯片工厂并运营10年,美国的成本比中国台湾地区、韩国或新加坡高30%,比中国大陆高50%。对于先进制程晶圆厂的建设和运营来说,《芯片和科学法案》提供的资金仅能基本满足台积电、三星和英特尔的工厂建设,很难如法案设想将国内外其他制造商和上游供应商都纳入补贴范围,各家企业在补贴额度上面临竞争。二是,除建设成本外,美国上下游物料、运输等成本同样较高,劳动力成本比中国台湾地区高出两至三倍,24小时待命、半夜加班的高配合度文化在美国社会恐怕也难以复制。一些美国员工到中国台湾地区学习,就有“工作时间太长”、“不人道”之类的抱怨。这就使美国工厂的运营成本也会大幅提高。三是,由于建设和运营成本较高,美国生产的先进芯片很难具备成本优势,势必推高芯片价格,特别是针对美国客户。但是,对供应链成本管控严苛的苹果、高通等公司很难接受较高的代工费用,在比较成本后,仍可能选择台积电的台湾工厂和三星的韩国工厂进行代工。四是,高昂的成本也将极大影响企业的后续投资计划,特别是台积电、英特尔、三星也正在评估赴日本、欧洲、印度建厂的可能性,美国联邦政府的补贴不一定具有竞争力,也不一定在接下来能够持续提供巨额补贴和税收减免。因此,相较于台积电5纳米芯片的月产能在2021年初就达到了9万片,预计到2024年量产的5纳米美国工厂的月产能仅为2万片,占台积电总产能的比重也仅为2%左右,并且,120亿美元投资将分散于2021年至2029年期间,这反映了台积电美国工厂更多是在被动的政治驱动下在美国的“试水”,建造一座规模有限的工厂,先进芯片的主要产能仍然在中国台湾地区。五是,目前,三星和台积电已开始争夺2纳米先进工艺,均计划到2025年实现量产。彼时美国工厂的5纳米工艺已然不算最先进,最先进的工艺仍将被留在本土研发和生产。因而,美国只有实现技术跨越,才能在先进芯片制造方面占据领先地位。由于不具备成本优势,先进芯片的产供链虽然会呈现出一定的区域化发展趋势,但全球分布、相互依赖的局面很难被改变。美国以政治力量推动半导体产业链转移和重塑,夺回半导体产业主导权的难度较大。

第二,美国缺乏先进封装能力,补齐半导体全产业链仍存短板。芯片制造后,需封装测试才能交付给下游客户。虽然技术含量较低,但也是必不可少的环节。先进封装更是未来半导体产业竞争力的关键。然而,美国半导体封装能力更为薄弱,基本依靠东亚,这就使其必须同时提升本土的先进封装能力。否则,台积电、三星和英特尔的美国工厂投产后,芯片必须运回东亚封装测试后才能交付,这不仅增加了额外成本,也延长了供应链周期,削弱了本土芯片的市场竞争力。然而,台积电和三星对于美国希望转移封装能力的回应并不积极。刘德音明确表示,“3D IC封装厂不会放在美国亚利桑那州”,“晶圆制造与封测地点可以在不同地方,这样是完全没有问题的。”2021年12月,英特尔宣布投资约70亿美元强化先进封装能力,但地点选在马来西亚。企业不愿把封装环节转移到美国的主要原因是其比尖端芯片制造的转移更加缺乏经济上的回报。美国虽然在鼓励先进封装公司赴美投资,重建美国先进封装能力,《芯片和科学法案》也为此提供了资金支持。但目前看,激励政策的效果可能比较有限。

第三,美国高技能工人短缺。美国寻求扩大制造业产能,但也面临缺少足够劳动力来支撑的窘境。根据美国劳工部劳工统计局发布的数据,2022年6月美国半导体与相关电子元件就业人数达到38.23万人,创2012年7月以来新高,连续6个月呈现扩增,但仍较2001年1月的71.45万人减少了46.5%。大多数半导体企业高管认为,该行业面临严重的人才短缺。一家晶圆厂的日常运营需要大约4000人至6000人,人才短缺将严重制约企业经营。人才管理公司Eightfold.ai的一份报告估计,到2025年,美国必须在2020年的水平上增加约7万至9万甚至更多的工人,才能满足晶圆厂扩张的关键劳动力需求。2022年4月,台积电创始人张忠谋直言,美国寻求在本国扩大芯片生产,但美国已没有制造业人才,这是昂贵浪费且徒劳无功之举。美国尤其缺少高技能工人,特别是本土工人,这成为美国半导体企业的困扰。多年来,美国电气工程专业入学率直线下降,高技能工人和微电子工程师的缺口只能依靠外国移民来填补。数据显示,美国大约40%的高技能半导体行业人才出生在国外。2020年国际学生约占半导体相关研究生项目注册人数的60%。此外,长期以来,美国凭借一流科研院校和头部企业的吸引力,从全球网罗人才。但随着半导体行业需求的急剧增长及各国相继追求自主化生产,各国和企业对人才的争夺异常激烈。台积电年度报告显示,2021年底,台积电在全球共有65152名员工,2021年聘用超过12000人。受企业“砸钱扩招”的影响,芯片企业的平均工资已创新高,跳槽薪资涨幅超50%。随着各大半导体企业对人才的争夺日趋白热化,人才流失将是美国不得不面临的挑战。

第四,美国很难通过半导体产业链联盟实现国家间步调一致。从企业的全球布局看,韩国的芯片厂在中国大陆有大规模投资,SK海力士在无锡有最大的全球存储芯片工厂,产能占SK海力士全球DRAM产能的47%;三星在西安建有唯一的海外NAND FLASH存储芯片工厂。部分由于韩国企业在华利益,尹锡悦政府希望在中美之间取得平衡,主张把芯片四方联盟作为资讯和技术交流的平台,不应排除和限制与特定国家的合作。阿斯麦也反对美国对华禁售深紫外光刻机,强调额外的出口管制可能会进一步扰乱全球芯片供应链。同时,美国半导体协会在评估相关国家的出口管制后发现,欧盟虽然已有相关立法但尚未有具体实践,韩国对半导体的出口管制只限于维护韩国产业竞争力相关的技术,荷兰尽管同意了美国对极紫外光刻机的限制,但不采取驳回许可申请的办法,而是搁置许可,即不回复许可申请或对许可使用设置条件,留有一定回旋余地,相关国家在出口管制范围、实施和立法层面都同美国所预想的状态有一定差距。

此外,美国重塑半导体产业链还面临其他挑战,包括,美国本土缺乏12英寸硅晶圆制造厂,唯一来自环球晶圆的投资要到2025年才投入生产;基于半导体启动成本较高,与基于平台的科技公司相比,市场潜力有限,美国风险投资和天使投资人逐渐减少对半导体行业的投入;振兴美国半导体行业需要对整个电子生态系统进行平衡投资,包括组装和测试,以及印刷电路板,但美国政府过度强调对芯片制造的补贴,忽略了这些环节,等等。

4 结语

2019年,麦肯锡全球研究院在追踪调查43个国家23条价值链后指出,未来全球价值链的分布将走向区域化,美国跨国公司将率先有所作为。企业在综合评估经济效率与效益时,把追求产业链的安全程度和灵活性作为优先参考指标,追求“社会成本的最低化”。近年来,美国对华发起全面竞争、新冠肺炎疫情大流行和乌克兰危机更是加速了部分产业链和供应链向区域化、近岸化、本地化方向发展。作为国家间长期竞争的战略性产业,美国、中国、德国、西班牙、日本、印度等国,都在吸引世界上先进的半导体厂商投资建厂,构建更加自主和完整的半导体产业链,半导体制造成为其中的重点内容。美国重塑半导体产业链的举措,特别是《芯片和科学法案》的出台,在一定程度上能够提高美国的先进半导体制造能力以及对尖端技术的控制力,满足美国关键基础设施领域的市场需求、供应稳定和经济安全。但法案同时禁止接受联邦政府资助的企业在中国等国建设或扩大先进制程晶圆厂,这种极端“去全球化”政策将给全球贸易和投资带来破坏性影响,包括大大降低半导体产业链的整体效率,迫使其他国家和半导体企业在中美之间“选边站队”,加剧芯片补贴竞赛和人才竞争,使贸易和技术合作深受地缘政治影响,加速各国半导体产业链本土化进程,等等。实际上,在推动半导体制造业回流之前,美国曾一度推动汽车产业回流,但效果不甚理想。美国退而求其次,将部分制造业回流墨西哥等周边国家,在《美墨加协定》助益下,墨西哥汽车产业发展迅速。

对于中国半导体产业来说,自美国制裁华为开始,半导体产业的“去美国化”和国产化就迅速提上了日程。在政府的大力支持以及国家集成电路产业投资基金一期和二期的投资下,半导体产业链涉及的设计、制造、封测、设备、材料等各个环节目前都有中国企业在攻克并加速追赶,涌现出了中芯国际、三安光电、华虹宏力、长江存储、合肥长鑫、北方华创、上海微电子、韦尔、华润、长电科技、通富微电、中微、中环股份、芯原微电子等众多优秀企业,在封测环节和一些半导体设备、材料等方面已缩小了与全球领先企业的差距。2021年集成电路产业的总营收首次突破了万亿元。不过,中国工业品进口最多的仍是集成电路,2021年进口量达到6355亿块,进口额达4326亿美元,继续保持增长态势,意味着中国进口替代的能力依然较弱,尤其是在10纳米以下先进工艺节点的半导体制造环节还有很大差距。由于半导体是高技术和知识密集型行业,在全产业链寻求100%的国产替代并不现实。中国可集中精力攻占几个技术制高点,在某些核心技术和产品上做到最高端,以此提升反制美国“卡脖子”策略的能力。为此,半导体产业的发展不仅需要依托大型企业,也需要政府扶持在特定领域具有技术优势的中小微企业和“隐形冠军”企业,充分激发各类企业的创新潜能。同时,应进一步加强同各国,特别是发达国家的经济技术合作,扩大开放、广纳人才,逐步缩小发展差距。

*文章原载《和平与发展》2022年第6期,原题为《美国重塑半导体产业链的逻辑》。

发布时间:2023年01月30日 来源时间:2023年01月30日
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