美国造芯背后的博弈

芯片制造成为地缘政治一根刺

编译 ｜ 杨玉科
编辑 ｜ 李国政出品 ｜ 帮宁工作室（gbngzs）

全球芯片短缺或许正在缓解。

美国网站Autoblog认为，对芯片需求下降的速度，甚至可能与两年前的增长速度一样快。

两年前，新冠疫情暴发，很多人不得不在网上工作和学习，导致对笔记本电脑和智能手机的需求激增。在汽车越来越智能化的关键时刻，这些电子消费品消耗了芯片——留给汽车制造商的芯片太少了。

Autoblog援引路透社报道，芯片制造商美光科技（Micron）和超威半导体（AMD）表示，不断上升的通货膨胀使全球经济放缓，反过来导致对笔记本电脑和智能手机需求减少。

权威调研机构Gartner高级主管分析师兰吉特·阿特瓦尔（Ranjit Atwal）认为，智能手机和个人电脑销量下滑，有望使今年芯片短缺情况得到缓解。此前他预计的时间是明年，认为智能手机市场下滑，不会被汽车制造商芯片需求激增所抵销。

2022年7月7日，美光科技预测，当前季度营收远低于预期，市场“在非常短的时间内大幅走软”。当日，台积电、联发科、阿斯麦、意法半导体和英飞凌的芯片类股票纷纷下跌。今年以来，中国智能手机销量下降30％。

台积电的主要客户削减了2022年剩余时间的芯片订单。日经新闻上月报道称，全球存储芯片领军企业三星电子已暂停新采购订单，要求一些供应商推迟或削减零部件发货。

美光科技首席商务官苏米特·萨达纳（Sumit Sadana）认为，这种转变程度肯定超出生态系统中任何人的预期。此外，包括美国在内的许多国家，通货膨胀率达到多年来最高水平，增加了经济衰退的风险，导致裁员和紧缩预算。

疫情期间，在家工作需求激增，芯片制造商疲于应付智能手机和个人电脑制造商的大量订单，由此带来芯片短缺，导致包括汽车制造商在内的公司削减产量，推迟发货，为关键芯片支付高额溢价。

早些时候，大众汽车集团表示，芯片短缺情况有所缓解，供应链瓶颈和成本上升局面即将结束。就在今年3月，这家集团还警告道，供应瓶颈将损害今年销量增长。由于芯片问题，其去年销量比计划减少了200万辆。

因疫情引起的市场快速变化，让许多行业深感困惑。预计业务会大幅下滑的汽车租赁公司纷纷出售汽车，结果发现需求比预期强劲，导致租赁费率大幅上升。

芯片制造商也被疫情及市场变化打了个猝不及防。现在，随着市场转向相反方向，他们又一次被打了个措手不及。

让我们看看这一切究竟是怎么发生的，以及将走向何方？

▍芯片就是新的石油

“这里仅有的操作员就是天花板上的机器人。”克里斯·贝尔菲（Chris Belfi）说。他身裹杜邦特卫强（Tyvek）无纺布防护服，在安全灯的映射下，这件“大白”被染成黄色。机器人在头顶的悬挂轨道上疾驰而过，一闪一晃，呼呼作响。每隔几秒，就会在一台巨大机器上方停顿一下。

在机器人洗衣篮大小的“肚子”里，一个塑料盒子精准掉落在一堆细线上，就像身穿紧身衣的汤姆·克鲁斯（Tom Cruise）。这个盒子里装载着珍贵的货物：多达25块闪亮的硅片，每块硅片就像12英寸披萨那么大。

要将这些“披萨”转化为微型计算机的大脑——我们一般称它为微芯片、半导体或芯片，这个过程需要近3个月时间。

贝尔菲是芯片制造商格芯公司（Global Foundries）的自动化工程师。他打了个比方：“这就像烘烤蛋糕，唯一区别就是，我们的蛋糕大概有66层。”

格芯公司这座工厂（Fab 8）耗资150亿美元，隐匿于纽约州奥尔巴尼北部的树林中，是美国为数不多的先进半导体（或叫晶圆）工厂之一。

其进货码头可以接收256种特殊化学品，比如氩气和硫酸。其出货码头将准备切割状态的成品晶圆送出，封装在金属和陶瓷外壳中，可以组装成从安全气囊到搅拌机，从耳机到战斗机的各种产品。

自2011年启动以来，Fab 8一直都很低调。然而，就像卫生纸和鸡翅一样，一场突发疫情导致一些出人意料的领域出现短缺。疫情冲击了全球半导体供应链，把美国半导体行业拉到舞台中央。

汽车行业受到的冲击尤为严重。最初的封锁措施导致汽车销售崩溃，汽车制造商削减了半导体等零部件订单。一辆常规新车可能包含1000多个芯片，而芯片制造商也看到了汽车市场的低迷，将产量转移到消费电子产品上，比如网络摄像头和笔记本电脑。

但到去年秋天，汽车销量猛然回升。汽车制造商不得不为这个戏剧性错误埋单——他们无法获得足够芯片，到现在依然不能。

芯片短缺导致2021年全球汽车产量减少390万辆，降幅4．6％。比如福特汽车就减少110万辆，收益减少25亿美元。

事已至此，汽车制造商和芯片制造商开始竞相寻求平衡。白宫也及时出手相助，敦促行业领袖理清供应链，增加产量。但事实证明，问题不仅在于美国没有足够的芯片生产。

真正的问题是，根本没有人关注芯片是在哪里制造——更严重的是，没有人关注制造芯片需要多长时间。

2021年6月，美国参议院通过一项两党法案，拨款520亿美元，旨在增加芯片生产和尖端技术研究，与中国争夺全球半导体领导者。但新晶圆厂创建需要数年时间。

分析人士担心，汽车芯片短缺将波及消费电子产品，影响可能持续到圣诞节。特斯拉首席执行官埃隆·马斯克（Elon Musk）在推特上写道：“前所未闻。”

芯片一直被尊称为现代社会的大脑，如今却成为最让人头疼的问题，其利害关系已经超越疫情时期的短缺。由于芯片是众多战略技术的关键组成部分，比如可再生能源、人工智能、机器人和网络安全等，因此，芯片制造已经成为地缘政治的一根刺。

在20世纪，石油是至高无上的全球资源。而今年的芯片短缺在政策制定者和外交官中引发了一个21世纪的流行语——芯片就是新的石油。

随着美国重启后疫情时代，一个稳定的半导体供应已成为整备和恢复力高度优先的基准。除此之外，还有一个更大的问题——半导体原本在美国发明，但如今，像格芯公司这样的晶圆厂在美国已经濒临灭绝。

1990年，全球37％的芯片在美国工厂生产，但到2020年，这一比例下降到12％。这块不断增长的蛋糕，所有新份额都流向了亚洲——中国、韩国和中国台湾。芯片工厂的意义已经不仅仅是工厂，而且是美国自力更生的关键。

对半导体了解越多，就会愈发震惊。数十亿个晶体管被塞进一角硬币大小的空间里，而且制造起来异常困难。如果像亨利·福特（Henry Ford，福特汽车创始人，定义了现代汽车工业）那样想象出一条装配线，那么，硅片在工厂中的路径就更像一座迷宫。

在格芯工厂，从原材料到成品芯片的过程——贝尔菲等工程师们称之为“工艺流程”——通常需要85天，包括1000多个步骤。整个过程中，芯片在晶圆传送盒（FOUP密封舱）中移动，完全不接触人手。机器人负责运送，它们在机器上方悬挂的履带上倾斜行驶。

一种机器人用类似液体砂纸的浆液来抛光晶圆，另一种机器人用激光刻印只有12纳米宽（大约是指甲在12秒内长出的长度）的电路。电子显微镜会检查硅片的缺陷，一只机械臂将25个晶圆同时浸入化学浴中，就像狂欢节扣篮游戏一样。

“基本上，机器人全天都在从晶圆厂每个车间来回运送晶圆。”贝尔菲说，每天都要放上东西，卸下东西，打印，再放更多东西，再卸更多东西。只有在某个环节出问题时，人类才会干预。

最让人头疼的是光刻机故障，它决定了整个流程节奏。这种故障每次耗费的成本都超过1亿美元。

“当其中一台光刻机出问题时，所有人都要齐心协力。而当新冠疫情来袭，我们的工厂却从未停止。”贝尔菲说。

▍这足以引起白宫的注意

格芯公司首席执行官汤姆·考尔菲尔德（Tom Caulfield）在位于工厂楼上的办公室里回忆道：“我们从来没有关闭过任何一家工厂，一小时都没有停过。”

事实证明，相对工厂管理，商业冲击更难应对。和许多行业一样，考尔菲尔德最初的金融模式让他做好了最坏准备。

“我们告诉团队，我们一起面对疫情，我们一起走出疫情。世界需要我们继续制造半导体。这可不是轻描淡写的说法。芯片确实为疫情应对提供了动力——网络摄像头、笔记本电脑、新冠病毒测试机，仅在纽约市，教育部就购买了35万台iPad。”

当时，新车似乎是唯一没人需要的东西，至少疫情一开始时是这样。2020年4月、5月和6月，汽车销量下降了三分之一。汽车零部件制造商直接取消订单，当然这不是知名汽车制造商，而是它们的供应商，以及这些供应商的供应商。

但半导体工厂不可能轻易转变。代工是芯片行业对合同制造商的称呼，如市值150亿美元的Kinko光学。单是格芯一家公司，就为250多家客户打印芯片，这些客户又为设备制造商（苹果或三星等知名品牌，以及大陆或博世等工业品牌）提供零部件。

而且供应链很长。烤一个芯片需要3个月时间，要真正用于汽车引擎或智能音箱，还需要几个月时间。在格芯的任何一天，可能只有10种不同芯片处于生产阶段。每一个独特的新芯片设计有一个6英寸光罩。

就像一张旧摄影幻灯片，光罩包含一张芯片地图，可以用激光投影到硅片上。光罩是他们的商业机密，属于设计公司的受保护的知识产权，根据格芯专有工艺的独特规格进行调整。因此，更换晶圆厂并不容易，而且肯定不会很快。

感恩节前后，疫情暴发8个月后，考尔菲尔德的电话响了起来。之前从未听说过格芯公司的汽车高管们意识到，没有格芯公司，他们竟然无法生产汽车。

考尔菲尔德说：“如果你是一家汽车制造商供应链的老板，因为没有5美元或10美元的芯片而不能交车，你不可能让这种事情再次发生。”

到了2021年，这种影响更令人担忧。2019年，汽车行业在芯片上花费了430亿美元，但它们只占整个芯片市场的10％。

全球最大代工企业台积电是向汽车行业提供芯片最多的公司，但汽车行业仅占其收入的3％。相比之下，苹果占比超过20％。在格芯公司，用于汽车的芯片占比不到10％，虽然足够重要，但不足以颠倒乾坤。

这种情况在2021年发生了变化，芯片制造商面临的政治风险大幅上升。考尔菲尔德呼吁他的工程师们“重新组合产能”，放弃一些订单，优先考虑汽车芯片。

他说：“我们做出了非常艰难的决定。只要能创造更多产能，就把它交给汽车行业，确保我们不再是制造业的关口。这其中的含义显而易见，我不需要白宫的一封信来做正确的事情。”

但这足以引起白宫的注意。在此之前，立法者将芯片制造视为当地经济问题。参议院多数党领袖查克·舒默（Chuck Schumer）支持在他的家乡纽约州建造格芯晶圆厂，并游说建造更多晶圆厂。

疫情揭示出，芯片制造业的衰退不仅关乎就业和地区经济，还在全球范围内产生了战略影响。

2021年2月，拜登签署一项行政命令，启动对关键供应链的审查。如果一场疫情可能导致芯片引发跨行业冲击，那么，还有没有其他可能呢？“我们明确地将地缘政治视为供应链风险之一。”一名高级政府官员说。

▍美国设计，海外制造

在半导体制造的早期，也就是1960年代，英特尔联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）发现，他和同事每年能将芯片上的晶体管数量增加一倍。

10年后，这一创新速度略有放缓，至每两年翻一番。之后，这个速度保持下来。芯片变得更快、更便宜、更高效，最终推动社会发展，可以为装在口袋里的电脑供应动力。

但是摩尔定律，正如人们后来所知，并不是自然的发展，而是花费巨资研发新芯片设计和制造方法的辛苦结果。实际上，每一代新的半导体都需要新的工厂来生产。众所周知，每一个新工艺都以芯片大小来命名，就像珠宝商让指尖变得越来越精致一样。

到了1970年代，芯片测量单位是微米，也就是百万分之一米。1980年代后，前沿晶圆厂已经用纳米或十亿分之一米来测量产品。如今，行业基准由台积电设定，它运营着5纳米晶圆厂，为苹果公司的最新电脑和平板电脑生产M1芯片。

工艺尺寸每一步减小以及性能提高，都要求晶圆厂重新装备最新一代光刻机来“打印”芯片，并配备相应设备。最新晶圆厂耗资至少120亿美元。

如今，半导体行业主要分为两类：设计芯片的无晶圆厂和制造芯片的晶圆厂。彼得森国际经济研究所经济学家查德·鲍恩（Chad Bown）认为：“实际上有两大固定成本：一套固定成本是，芯片创意所需的所有研发费用。另一套固定成本是，所有的资本设备——你需要建造一个这样的晶圆厂。”

几十年来，像英特尔这样的领先公司两者兼而有之。高级微设备公司（Advanced Micro Devices）前首席执行官杰里·桑德斯（Jerry Sanders）有句名言：真男人就应该拥有晶圆厂。

在1990年代，一些著名人士坚持认为，这是一个性别歧视的评论，但现在已经过时了。高级微设备公司不仅在2009年没了晶圆厂，其芯片工厂也卖给了格芯公司。

台积电率先将晶圆厂和无晶圆厂区分开来，成为半导体行业的主导者。其创始人张忠谋出生于中国，在美国接受教育。1960－1970年代，他在德州仪器（Texas Instruments）工作时，其工程创造力和管理才能堪称传奇。他帮助提高了芯片工厂的产量，并压低了价格。

但在执掌德州仪器半导体部门后，张忠谋得出结论——他永远不可能成为美国的首席执行官。“我觉得基本上被放进了牧场。”他在一本公开出版的口述历史中回忆道，“我进一步发展的希望破灭了。”

在德州仪器时，张忠谋已经看到了芯片工厂的成本上升，以及这种上升可能阻碍创新方式。他的同事们都渴望通过新的创新来开创自己的事业，但从来没有成功过。

晶圆厂进入门槛太高。张忠谋抓住纯代工想法——做一家专注于为他人制造芯片的半导体商业公司。在中国台湾支持下，他于1987年创立台积电。

1987年，这是全球贸易政策的一个有利时刻。里根（Ronald Wilson Reagan）政府制定政策来对抗日本半导体生产增长，但布什（George Walker Bush）政府却采取一种不干涉方式。

“薯片、电脑芯片，有什么区别？”布什的经济顾问迈克尔·博斯金（Michael Boskin）说过这样一句名言。

与台积电一样，韩国和中国的企业开始加大芯片制造力度，建造高科技晶圆厂，通常是通过政府补贴的方式。

1990年代，就连英特尔也开始将部分生产转移到海外。“虽然这一切都在发生，但我们仍坚定地坚持市场经济原则。”半导体行业协会（Semiconductor Industry Association）首席执行官约翰·诺伊弗（John Neuffer）说。当时盛行态度是不干涉企业——不让政府插手。

2010年，苹果公司发布首款定制设计芯片A4，由亚洲一家代工工厂生产，这在行业已经司空见惯。但这个操作让英特尔尤其不快，在此之前，苹果公司设备中使用的芯片都由英特尔设计和制造。

行业这种划分已经成为常态，而且一直延续到今天——最复杂的芯片很可能仍然在美国设计，但在海外制造。

硅谷仍然名副其实——但这要归功于几十家无晶圆厂的芯片设计创业公司，而不是晶圆厂。如果没有亚洲国家提供的政府奖励，这种情况不太可能改变。

“美国的政策是，我们不会创造赢家，我们要让资本发挥作用。”考尔菲尔德说，“如果世界上每个人都这样做，那将是一种伟大的哲学。”

▍制造最尖端芯片的唯二选择

美国国会议员正在改变路线。

2021年6月，美国参议院正式通过名为《美国创新与竞争法》（U．S． Innovation and Competition Act）。直接目的是，通过补贴半导体制造与中国竞争。

一位高级政府官员说：“过去几年，两党越来越多地达成共识，美国需要在国内进行更多投资，以保持竞争优势，特别是在与中国进行某种战略竞争的时代。”

“这是一个政治疏忽。现在看来，这已经不单单是一个疏忽了。”半导体工业协会的诺伊弗说。

特朗普（Donald Trump）政府激进的贸易政策，为共和党人支持加大经济干预打开了大门。现在他们要求更多。

在保守派智库美国指南针（American Compass）执行董事奥伦·卡斯（Oren Cass）看来：“这确实是一个错误。”卡斯将半导体视为美国经济政策必要转变的终极案例研究。

卡斯说：“它们显然是高科技，是美国长期占据主导地位的领域，显然涉及国家安全，而且可以很好地量化谁领先谁落后。”

对拜登（Joe Biden）来说，半导体是刺激美国高科技产业的机会。2021年4月，他在白宫举起一块闪闪发光的硅片说：“这是基础。”

但将领先的半导体制造业带回美国需要数年时间。

去年3月，英特尔计划斥资200亿美元，扩建其位于亚利桑那州的、专门为他人生产芯片的工厂。与台积电在亚利桑那州建一个新工厂（估计花费100亿～120亿美元甚至更多）不同的是，英特尔无法生产这种尖端芯片。

更小意味着更快，因为要在更小空间里挤压更多晶体管。英特尔甚至连7纳米节点都难以上线，而台积电正在超越5纳米节点，准备生产3纳米节点（据报道，苹果将再次成为其主要客户）。

英特尔负责美国政府关系的副总裁艾尔·汤普森（Al Thompson）说，这涉及能力问题。“我们将在美国投入大量资金，创造大量就业机会，让我们走上一条道路。确保尽自己一份力量，来保护国家经济和国家安全。但要迎头赶上，还有很长的路要走。”

去年4月，硅谷一家名为Cerebras的初创公司发布一款名为CS－2的新电脑。它不是为Zoom电话或Netflix派对准备的，而是为人工智能领域最复杂的研究准备的，比如发现抗癌药物或模拟融合反应。其核心是一个具有非凡新设计的定制芯片。

Cerebras不是将一个12英寸的硅片切成数百个小芯片，再像打姜饼一样把每个芯片都戳出来。它已经找到一种方法来制造单个的巨大芯片，就像曲奇蛋糕一样。智能手机芯片包含数十亿个微小晶体管，它们被蚀刻在硅上，就像一座微型城市。Cerebras的定制芯片包含数万亿个晶体管。

为使其发挥作用，Cerebras的工程师们找到一种绕过硅片基本缺陷的方法。通常，它们从一个铸块中切下来，就像熟食腊肠一样。如果这些最复杂晶圆有缺陷，就会破坏整个芯片。Cerebras半导体设计师和制造商通过保持每个芯片都很小，丢弃坏芯片来解决这个缺陷问题。

Cerebras工程师们创造了一种设计。它使用了85万个相同的块，就像墙纸，以及一个可以关闭任何有缺陷的部分，而不会损坏整个芯片系统。大多数超级计算机将数千个独立芯片连接在一起。但在这些芯片之间传输信息会减慢速度。大脑把所有信息都保存在一个巨大芯片上。

Cerebras首席执行官安德鲁·费尔德曼（Andrew Feldman）说：“我们找到了一种方法，利用硅以接近光速的速度移动信息，并以极小的能量将信息移动到其他地方。”

对于制药公司葛兰素史克和阿贡国家实验室这样的客户来说，它提供了在人工智能领域取得突破所需的动力。

这种大胆想法定义了硅谷早期的创新，以及美国芯片设计师持续不断的创造力。如果说在1960－1970年代，芯片工厂遍布硅谷，那么当Cerebras需要为芯片工厂寻找工厂时，当地却没有其他选择。

费尔德曼意味深长地说：“如果你想制造最尖端的芯片，只有两个选择：你可以游到中国，也可以向另一个非军事区扔石头。”他暗指台积电和韩国三星。

2022年2月，美国众议院通过了参议院修改的《2022年美国竞争法案》，数十亿美元的联邦资金将流入半导体行业，这已经是最赚钱的行业之一。

但要将这笔投资转化为新的芯片工厂、新的芯片设计和新的工程人才渠道，还需要数年时间。该行业的挑战，不仅仅是赶上中国台湾当下的水平，以及中国计划在2025年达到的水平，而是要在未来更进一步。

3纳米节点比5纳米节点更昂贵。

独立芯片制造专家艾莉莎·谢雷尔（Alisa Scherer）说：“保持领先所需的资金需要不断增加。时间跨度也如此，跳过一代几乎不可能。光是环境许可就需要数年时间。”

“这些不是塔可贝尔（美国连锁快餐店），不能把他们打翻。它们不是装在盒子里送到的。就人工智能芯片而言，台积电和三星是唯二选择，这是我们看到的现实。”

在那之前，芯片制造——以及它引起的所有地缘政治和经济影响，将继续依赖于横跨大洋的全球网络。

（本文部分内容综合Automotive News、Time、Clean Transport报道，部分图片来自网络）

原文标题 : 美国造芯背后的博弈