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《美国智库发布《成熟制程芯片的战略重要性》》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： 李衍
  • 发布时间：2023-04-25

  • 2023年3月，美国战略与国际研究中心（CSIS）发布《成熟制程芯片的战略重要性》报告 。报告指出，2020年末出现的芯片短缺使美国意识到最先进的半导体已不在美国制造，这是美国的一个战略漏洞。但另一方面引发关注的是，芯片短缺主要是由于成熟制程芯片（Legacy Chips）供应不足造成的；虽然美国公司继续生产这种类型的芯片，但是数量不足以满足国内器件制造商的需求。报告讨论了成熟制程芯片的定义和用途，分析了美国成熟制程芯片短缺对美国汽车行业的影响以及导致美国成熟制程芯片短缺的原因。报告认为，成熟制程芯片供应不足对美国经济造成了重大破坏，促使美国更深入地审视成熟制程芯片的战略意义。

    一、成熟制程芯片的定义及用途

    美国2022年《芯片和科学法案》将成熟制程器件定义为采用28纳米或以上制程技术生产的器件，并要求美商务部为其他类型的芯片制定精确的定义。尖端芯片（Cutting-edge Chips）的官方定义也尚未形成，但可以假定适用于5纳米或以下的工艺节点。高度先进的10纳米和7纳米芯片处于定义的灰色地带，还有待美国商务部将其归类。

    成熟制程芯片无处不在。虽然尖端芯片或微处理器在关键技术中有着广泛应用，但成熟制程芯片普遍用于汽车、飞机、家电、宽带、消费电子、工厂自动化系统、军事系统和医疗设备等的生产制造。这些设备在美国制造业经济中发挥着核心作用，这意味着成熟制程芯片的供应中断会对美国制造业和下游经济活动产生负面影响。

    成熟制程芯片并不是过时技术，会不断地针对新的需求和应用进行创新改进。例如，使用碳化硅半导体，有望在经济脱碳中发挥重要作用。成熟制程芯片在未来很长一段时间内还将与新兴产业和技术保持高度关联。

    因此，在晶体管尺寸方面将成熟制程芯片与尖端芯片区分开来，可能会限制对成熟制程芯片的战略和经济重要性的理解。2022年10月，美商务部出台的限制中国先进芯片制造的出口管制，进一步印证了这一重大战略缺陷。这种失策使中国有机会在主流芯片方面继续创新。

    如果美国要保护其经济免受中国产业政策的影响，政策制定者不能纯粹根据芯片组件的大小将芯片分为“先进”或“不太先进”，而必须更仔细地思考特定成熟制程芯片的重要性以及支持其生产和持续创新的政策。

    二、美国成熟制程芯片短缺对美国汽车行业的影响

    目前对成熟制程芯片的广泛认知是由新冠疫情期间的芯片短缺所引发的。尽管当时产能利用率达到历史最高水平，但美国本土产能仍无法满足国内需求。2022年初，美国商务部调查发现企业最严重短缺的不是尖端芯片，而是40纳米或以上制程的成熟制程芯片。成熟制程芯片仍是当前美国和全球主要生产的芯片类型。

    2022年美国芯片产量有所增长，但市场现在面临某些类型芯片的供应过剩，而汽车芯片仍然面临短缺问题。用于汽车行业的芯片必须具备“汽车级”功能，相比于先进的消费电子产品芯片，需要更加强大以及接近“零缺陷”的性能。因此，成熟制程芯片占汽车行业芯片消费总量的95%，乃至于“缺芯”对汽车行业的冲击最大。

    汽车级成熟制程芯片的短缺始于2020年，削弱了美国的汽车生产。在2021年初至2022年间，北美汽车制造商因无法获得足够的芯片部件而被迫减产430万辆汽车。同时，可用芯片的价格也大幅上涨，加剧了通货膨胀。例如，从2020年秋季到2021年秋季，普通微控制器的单位价格翻了五倍。

    随着汽车行业的创新发展，芯片已成为汽车最基本的零部件，且单车芯片数量不断增长。2017年至2021年间，每辆汽车的平均芯片数量翻了一番，达到约1700个。随着汽车和卡车融入新的安全功能和自动驾驶功能，这一数字还会继续增加。据Gartner预测，全球汽车芯片市场的总价值将从2020年的387亿美元增长到2030年的1166亿美元，复合年增长率为11.7%。然而，汽车芯片所依赖的成熟制程芯片产能仅以每年约2%的速度增长。即使不考虑周期性供应问题，汽车芯片的产量也根本跟不上。

    三、美国成熟制程芯片短缺的原因

    1. 投资和产能不足。近几年来，对成熟制程芯片制造能力的投资一直远远落后于需求。就汽车行业来说，投资不足在模拟器件方面尤为突出。全球最大的模拟芯片制造商之一意法半导体公司预测，其积压的汽车芯片订单将“持续超过现有和预期的制造产能至2023年。”。对于美国来说，其芯片行业正在丧失生产某些类型成熟制程芯片的能力。这并不是因为技术障碍的问题，而是因为较老的晶圆厂正在关闭而没有出现相应的替代工厂。考虑到“旧”工艺设备不易获得且投资回报率不高，企业不愿对成熟制程晶圆厂进行投资，进而引发产能的减少。面对汽车行业芯片需求的迅速增长，芯片短缺问题陷入僵局。

    2. 来自中国的风险。中国对成熟制程芯片的大量投资可能导致中国在全球成熟制程生产中占据主导地位，这给美国带来了风险。鉴于西方对中国先进芯片的技术管控，中国的大多数新投资将可能用于生产成熟制程（28纳米及以上）芯片。如果中国能够获得必要的制造设备，预计未来10年中国的晶圆装机容量将增加近一倍，达到全球芯片装机容量的19%左右。美国半导体行业协会（SIA）的分析指出，“中国EDA公司的成熟制程芯片设计能力越来越强，中国国内设备公司有望在未来几年为成熟制程节点（40/28纳米）生产提供强大的能力。”

    四、报告结论

    展望未来，成熟制程芯片对于现代经济运行的重要性只会继续增长。保持一个强大而有弹性的成熟制程芯片的供应基础，使其能够进行投资，可以生产并不断改进以迈向更先进节点，将对国家的竞争力和经济安全至关重要。此外，先进制程芯片的创新预计将成为各种新兴技术的基础，例如欧美战略必争的绿色能源技术，将需要更先进、更高制程的芯片。

  • 原文来源：https://www.csis.org/analysis/strategic-importance-legacy-chips
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    • 最近，美众议院通过《2022年美国竞争法案》，以抗衡中国。其中，520亿美元将资助美半导体产业。欧盟也推出《芯片法案》，到2030年将投入约450亿美元用于支持芯片生产、建设大型芯片制造工厂。近年来，美国政府多次以半导体技术作为武器制裁中国企业，中国ICT产业深受其害，与此同时，我国正在以出台政策、提供资金、给予市场等方式大力扶持本土半导体产业发展，美国和欧洲出台法案目的在于提升各自的半导体企业竞争力，这将使全球半导体市场竞争越发白热化。 全球半导体产业链分布情况 半导体产业大致可以分为设备、设计、原材料、制造、封装测试五个部分。 就半导体设备而言，美国、荷兰、日本牢牢占据统治地位，美国应用材料、荷兰艾斯摩尔、日本应用材料、美国泛林、美国科垒依次名列全球半导体设备商前五强，市场份额合计超过70%。半导体设备市场份额前10的厂商均为美国、欧洲、日本企业，市场份额合计达90%。就是设备市场而言，全球市场份额约为600亿美元左右，其中，最关键的是光刻设备、刻蚀设备和薄膜沉积设备，资金占比大约为30%、25%和25%。荷兰艾斯摩尔基本垄断了高端光刻机，刻蚀设备由美国应用材料、美国泛林半导体、日本东京电子瓜分，薄膜沉积设备则是应用材料的强势领域，物理气相沉积设备占据全球市场份额30%以上，化学气相沉积设备占据全球市场份额的50%以上。 就半导体原材料而言，日本、美国企业在全球半导体材料供应上占主导地位，市场份额估算为500至600亿美元。半导体原材料主要分为晶圆制造材料和封装材料两大块。晶圆制造材料中，按照市场份额依次为硅片及硅基材料（占比31%），光掩模版（占比14%）、光刻胶配套试剂（占比7%）、光刻胶（占比5%）。封装材料中，按照市场份额依次为封装基板（占比40%）、引线框架（占比16%）、陶瓷基板（占比11%），键合线（占比15%）。就占比最高的硅片和封装基板而言，日本信越、胜高占据硅片市场半壁江山，松下电工则是封装基板行业的领头羊。就其他细分市场来说，日本住友金属、田中贵金属、东京应化，美国陶氏化学、3M等公司占据市场优势地位。 就半导体设计而言，美国公司占据了绝对优势地位，美国半导体设计公司市场份额总量占比超过50%。就细分市场而言，英特尔和AMD垄断了桌面和服务器CPU市场；德州仪器、ADI、Skyworks、博通等公司是模拟芯片行业领头羊；赛灵思、阿尔特拉、莱迪思、Microsemi基本垄断了全球FPGA市场；AMD和英伟达垄断了全球高性能GPU市场；三星、SK海力士、镁光、西部数据、铠侠等公司垄断了全球存储芯片市场；高通是手机芯片市场的领头羊，其在高端手机芯片市场的地位无可撼动，苹果的CPU被广泛应用于苹果的手机、平板、笔记本电脑等产品...... 美国英特尔、英伟达、苹果、AMD、高通、博通、赛灵思、德州仪器、ADI、Skywoks、Qorvo、镁光、西部数据等公司在CPU、GPU、DSP、FPGA、NAND、射频，以及各类模拟芯片领域均占据统治性市场地位或优势地位。 就半导体制造而言，全球前五的芯片制造商分别为台积电、三星、格罗方德、联电、中芯国际。根据2021年的数据，台积电以59.5%的市场份额遥遥领先于三星（8.7%）、联电（7.9%）、格芯（6.9%），市场份额是中芯国际的10倍有余，中芯国际和华虹集团的市场份额分别为5.7%和3.1%。就技术水平来说，台积电的制造工艺已经超越了美国老牌公司英特尔，在制造工艺方面处于全球领先水平，大陆企业与台积电在制造工艺技术上至少差2代，台积电是名副其实的行业霸主。 就封装测试而言，呈现出台湾地区、美国、大陆地区三足鼎立之态，台湾地区日月光、美国安靠、大陆长电科技、台湾地区力成科技和矽品位列营收前五位，营收前十的企业中有5家台湾地区企业，3家大陆企业，1家美国企业，1家新加坡企业。 目前，全球半导体产业分工呈现“雁行”状态，美国及其欧洲盟友占据技术门槛和利润最高的半导体设备和设计环节，日本、美国、欧洲、韩国公司占据了原材料环节，台湾地区和韩国占据了制造环节，台湾地区和中国大陆占据了封装测试环节。虽然台湾地区诞生了台积电这样的明星企业，但探究其本质，是美国进行技术转移的结果。从股权上看，台积电第一大股东是美国花旗银行，持股比例为20.5%，外国人、外国机构总持股比例高达78%，“台湾行政院”持股仅6.4%。从技术上看，台积电必须遵从于美国所主导的全球半导体产业分工，在关键技术、设备、原材料方面高度依赖美国、欧洲和日本，这也是在此前的中美贸易摩擦中，台积电惟美国马首是瞻制裁华为的原因所在。 美国和欧洲出台法案加剧全球半导体企业竞争 在过去几十年，西方国家高举全球化大旗，大量制造业向亚洲国家转移，与此同时，欧美逐步去工业化。即便是具有高附加值的半导体行业，美国仅在设备、设计上掌握明显优势，在原材料、制造、封装测试等方面均被超越。就数据来看，美国在全球半导体制造业中的份额从1990年的37%稳步下降到现在的12%左右。 这种行业分工局面使美国对全球半导体产业链的掌控能力降低，特别是美国AMD、英伟达、高通、苹果等大公司在制造上高度依赖台积电成为美国半导体供应链的巨大隐患，因为一旦爆发统一战争，台积电很可能会受到波及，这会使美国IC设计公司的渠道变得非常脆弱。 正是因此，美国政府在最近几年一直致力于加强本土半导体产业，特别是有着较高对外依存度的半导体制造。在特朗普政府时期，美国就竭力“劝说”台积电在美国投资建厂，经过一番讨价还价，台积电决定投资120亿美元在亚利桑那州建设5纳米先进工艺晶圆厂，新工厂计划于2024年前后投产。无独有偶，三星也在美国政府的“劝说”下，决定在美国得克萨斯州的泰勒市投资170亿美元，用来建设能生产5纳米先进制程芯片的工厂。新工厂将会在2022年上半年开始动工，在2024年下半年启动生产。不久前，英特尔宣布将投资200亿美元在俄亥俄州建设2家芯片制造工厂。未来，投资可能还会增至1000亿美元，累计建设8家芯片制造工厂。从上述例子可以看出，美国政府采用招商引资+本土企业投资的模式补全自身产业链的短板，力图在2025年左右将半导体制造重新发展起来，避免在半导体制造环节因国际局势变幻而被卡脖子。与上述高额投资遥相呼应，美国众议院通过《2022 年美国竞争法案》，将拿出520亿美元将资助美半导体产业。美国众议院议长佩洛西表示，“众议院立法将加强我们在芯片方面的投资，加强我们的供应链并改变我们的研究能力，以及许多其他关键条款”。这项法案立意更加深远，直接采用补贴的方式扶持本土企业，以增强其在竞争日益白热化的半导体市场击败对手。 欧盟推出《芯片法案》的直接原因可能与当下弥漫全球的芯片荒有关，但究其根本原因，还是在于扶持欧洲本土半导体企业做大做强。西欧国家是先发工业国，依靠工业文明殖民全球，其技术底子还是不错的，具有ARM、博世、英飞凌、ST、恩智浦等一批企业。不过，受美国英特尔、AMD、英伟达、赛灵思、TI等一批大厂排挤，除了ARM在嵌入式和智能手机领域地位稳固，欧盟的半导体企业基本被美国企业压着，只能在细分市场寻找存在感。像桌面、服务器高性能CPU、GPU这类大家耳熟能详的芯片，基本没有欧洲企业什么事情，博世、英飞凌、ST、恩智浦等公司则更多在一些细分市场耕耘着自己的一亩三分地。德国的Siltronic、法国的Soitec在原材料方面具有一席之地，但相比于日本胜高、越信的市场地位依然有一定差距。荷兰ASML虽然是全球唯一能够制造尖端光刻机的厂商，但其最关键的零部件——光源依然要从美国进口。可以说，当下欧洲半导体企业的现状是具有较好技术积累和基础，在设计、制造、设备等领域都有自己的建树，但被美国、日本、韩国、中国台湾在各自强势领域压制，处于比上不足比下有余的状态。欧洲半导体产业的潜力的巨大的，唯一的问题就在于欧盟不是但单一制国家，各个成员国之间貌合神离，各怀鬼胎。如果欧盟《芯片法案》被各成员国不折不扣的贯彻落实，欧洲的半导体企业就可以获得更好的发展环节，增强其市场竞争力。 美欧出台法案旨在做大做强本土半导体产业链 打击中国只是副作用 先来看欧洲，如果欧盟是一个高度中央集权的单一制国家，那还是非常有潜力的，但问题就出在，欧盟人心不齐，一团散沙。英国一贯就是欧洲“搅屎棍”，奉行大陆均势政策，不希望德国或法国主导欧洲。本次立法允许各国政府补贴欧洲尖端芯片工厂，恰恰就是法国和德国政府推动。虽然法国和德国希望通过政府补贴发展本土的芯片产业，以帮助企业与美国和中国竞争。但欧洲那些本国半导体技术落后的小国则更希望坚持自由市场，《芯片法案》通过前，荷兰、爱尔兰在内的6个成员国就致函欧盟委员会，反对将政府资金用于大规模生产或商业活动。信函中称，对关键行业的战略资金“过度和非定向使用”将导致“欧盟内部的补贴竞争和不公平竞争”。因为法国和德国主导的这项法案对这些小国而言没有好处，“造不如买”最符合这些小国的利益。 即便是有半导体厂商的欧洲小国，其半导体厂商也对美国技术也有依赖，比如ASML，与其说是光刻机制造商，不如说是光刻机组装商，基于商业利益，ASML不可能放着成熟的美国光源不用，反而自主研发光源，或是采购欧洲企业的不成熟技术。荷兰为了本国企业能够从美国获取先进技术，必然反对法德主导的补贴政策法案。爱尔兰的情况也是类似，爱尔兰之所以反对法案，主要是因为其半导体产业主要依赖外资，其中，最关键的当属英特尔在爱尔兰的工厂——爱尔兰已经成为英特尔在美国之外最大的生产基地，英特尔公司正在加大对爱尔兰的投资，对工厂进行了大规模的扩建。由于欧洲国家内部勾心斗角，法国和德国主导的这项法案在落地过程中没准会出现各种幺蛾子。诚然，法国和德国对于发展半导体产业雄心勃勃，但受制于国力和所处大环境，颇有“心比天高，命比纸薄”之感。《芯片法案》可以改善欧洲半导体企业的财务状况，但无法在欧洲建成独立于美国的半导体产业链。 相比之下，美国的《2022年美国竞争法案》影响会更大一些。美国是一个联邦制国家，虽然美国政府和洲政府会有各种扯皮，但在政策落实和执行上比欧洲国家强。美国半导体产业实力雄厚，只要美国政府创造一个良好环境，美国半导体企业就能百尺竿头更进一步。作为全球霸主，美国可以通过政治、外交等方式吸纳他国半导体企业，比如通过“劝说”的方式让台积电、三星到美国投资建设尖端工艺的芯片工厂，以此补全自身产业链在制造环节的短板，这使得美国可以在本土打造一个完整的半导体产业链，美国半导体企业可以采用“内外双循环”的方式参与国际竞争，大大提升其抵御市场风险的能力。 当下，中国大陆半导体企业实力普遍偏弱，和美国在半导体产业上合作大于竞争，彼此之间的矛盾远远达不到当年美国和日本半导体产业对决的水平。国内ICT企业生怕买不到欧美芯片，国内芯片设计公司生怕无法使用美国三大厂的EDA工具和台积电流片渠道，国内晶圆厂担忧买不到欧美日半导体设备和原材料......由于国内半导体企业技术底子薄，普遍对欧美日技术有较高的依赖性，企业最担忧的不是美国、欧洲刺激本土半导体企业发展的《法案》，而是担忧美国政府立法彻底禁绝中美技术交流和贸易。 简言之，美国《2022年美国竞争法案》并未直接打击中国，旨在修炼内功，弥补美国本土半导体产业链的短板，以及扶持美国企业技术创新，参与新兴市场的竞争，在短期内不会对中国大陆本土企业造成过多影响。但是，如果美国在本土够了完整的半导体产业链，产业实力进一步增加，这对于5至10年后已非吴下阿蒙的中国企业而言，无疑增大了参与国际竞争的难度，一旦发生紧急情况，“内功大成”的美国打人会“更疼”，对中国的制裁会更加严厉，打击力度会比以往更强。 打铁还需自身硬 早在2014年，中国成立国家集成电路产业投资基金，其中，一期募集资金1387亿元（2014-2019年），市场预计二期规模有望达到2000亿元，其投资方向是既包括传统半导体产业，又包含智能汽车、智能电网、人工智能、物联网、5G等，国内一大批半导体设计、设备、制造、封装测试企业都受益于大基金。必须说明的是，这仅仅是大基金的投资，并不包括地方政府投资和社会资本投资。 由于大基金采用国有资本投资撬动社会资本投资的模式，因而大基金撬动的社会资本将会是大基金募集资金的数倍。此前，美国智库战略与国际问题研究中心高级副总裁、技术政策项目主任詹姆斯·刘易斯表示，“中国对半导体的投资可能是美国的1000倍，这样的实力对比无论如何都没法赢。”他认为，美国目前在这场科技竞赛中领先，但中国正努力追赶，而美国最大的劣势是“不愿花钱”。 过去几年，中国企业乘着政策的东风，在设计、设备、原材料、制造、封装测试等领域都有所建树，取得了不俗的成绩，在多个细分市场逐步蚕食外商市场份额，有计划的推进国产化替代，但从总体上看，差距依然存在，而且还不小。就半导体设备而言，即便是中国大陆市场，自给率也仅有5%左右，美国应用材料、泛林、科垒三家公司在全球半导体设备市场的份额就超过50%。就半导体设计而言，在商业上相对成功的企业普遍对境外技术有较高依赖，设计行业的领头羊海思公司就高度依赖ARM技术授权，因美国制裁的原因营业收入断崖式下跌。几十年磨一剑专注自主研发的芯片设计公司大多数只能在低端市场艰难求生，或者是在信创市场谋求一席之地茁壮成长，商业市场基本被外商垄断。就原材料而言，虽然本土企业发展迅速，但中芯国际、华虹、长江存储等本土晶圆厂的原材料大量依然进口，其中12英寸晶圆严重依赖进口。在制造方面，中芯国际、华虹的市场份额合计仅8.8%，不足为台积电的五分之一。大陆唯一发展的比较好的是封装测试，技术上基本追捧国际主流水平。 当下，中国半导体产业与美国半导体产业的差距是巨大的，最缺的是发展壮大的人才、资金和时间，最需要的是修炼好内功，补全在设计、设备、原材料、制造环节的短板。只要构建完成“红色产业链”，哪怕技术比美国落后2至3代，就能够依托本土市场实现内循环，不惧怕美国制裁。
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