美国芯片制造业的未来

来源:半导体行业观察发布时间:2023-06-251451浏览

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自 20 世纪 70 年代末以来，尖端半导体已成为美国政治经济的核心。它们通常被称为“信息时代的原油”，它们已经变得越来越普遍，现在被认为是电信、汽车和军事系统等广泛行业的基本组成部分。到了 20 世纪 80 年代，半导体对经济变得如此重要，以至于它们被视为美国实力本身的象征，以及该国后冷战未来的基本要素。2003 年，美国国家科学院的一份报告将半导体的普及称为“首要的通用技术”我们的后工业时代。就其影响而言，半导体在很多方面类似于第一次工业革命的蒸汽机。”

从历史上看，美国半导体行业的成功建立在国家与资本之间的合作之上。20 世纪 80 年代，当日本威胁要在这一领域占据主导地位时，美国决策者努力确保美国的主导地位。然而，近年来，干预主义政策已经失宠，英特尔等美国芯片制造商现在发现自己落后于台湾和韩国的竞争对手。在围绕大流行供应链短缺的恐慌之后，半导体又回到了早期作为美国实力和衰落象征的试金石的地位。乔·拜登总统的行政命令以及去年的《CHIPS 法案》标志着政府“让美国（工业）再次伟大”的努力。从这个意义上说，建议。然而，它们是否会产生预期的效果还有待观察，因为《CHIPS 法案》中指定用于生产的资金不足以真正重振该行业所需的资本投资。

英特尔的崛起

冷战后美国在半导体领域占据主导地位的故事在很多方面都是英特尔的故事。该公司于 1968 年由 Fairchild 前员工戈登·摩尔 (Gordon Moore) 和罗伯特·诺伊斯 (Robert Noyce) 在加利福尼亚州山景城成立，专注于半导体生产，到 20 世纪 80 年代已成为世界十大生产商之一。1965 年，戈登·摩尔 (Gordon Moore) 预测芯片将定期变得更小、更便宜、速度更快。精明的英特尔公关活动人士将其变成了“摩尔定律”，到了 20 世纪 90 年代，它被广泛吹捧为该公司取得巨大成功的自然原因。

英特尔成立时，金属氧化物半导体（对现有技术的显着改进）已处于原型阶段，但尚未广泛生产。这个好时机让英特尔能够从即将产生的繁荣中获益。该公司在成立之初还得益于其他一些运气。重要的是，IBM 在 1981 年选择英特尔为其对抗苹果 PC 提供芯片。与许多美国半导体公司一样，英特尔也受到日本在该领域日益增长的主导地位的威胁，但它在 1985 年做出了快速而有利的决定，退出内存芯片 (DRAM)制造业务以遏制损失（英特尔每个芯片损失 1 美元）。

20世纪80年代，美国税法允许国内企业冲销新工厂的建设；芯片产能每两年翻一番，利润猛增。随着与日本的竞争加剧，英特尔决定进一步加快产品开发周期；它的芯片能力正在以令人眼花缭乱的速度增长——每三年翻两番。这一噱头迫使日本竞争对手也采取同样的措施来跟上，但英特尔计划在几年后降低极快的速度并恢复到可盈利的生产水平，而日本工业已经永久性地改变了其生产模式以跟上以新的步伐。这使得日本公司盈利变得越来越困难，因此，加上 20 世纪 90 年代初日本的经济困境和美国政府的外交压力，该行业陷入了困境。美国，尤其是英特尔，重新夺回了领先地位。美国的产业政策、有利的监管变化、国际路线图赋予英特尔的优势，以及美国政府对英特尔与微软（当时称为Win-Tel）极其密切的关系的容忍，使得英特尔能够梳理通过2000年代。

然而，20 世纪 90 年代的成功为未来的问题埋下了种子。英特尔前高管保罗·加吉尼 (Paolo Gargini) 指出，英特尔 1994 年的胜利减轻了政府维持投资率的压力。结果，到了 2000 年代初，美国工业界缺乏资源，但同时需要大量投资来转向新的芯片设计，以继续摩尔定律的改进。美国工业被迫走出美国本土。由于参与美国国家半导体路线图等事务，加吉尼被任命组织美国行业的其他成员来支持这一转变。

同样，由于他在日本恐慌期间多次代表英特尔出访日本，因此他的任务是将日本业界人士组织到新的国际机构中。美日冲突投下长长的阴影；加吉尼声称，对冲突的记忆使得说服美国半导体人物加入国际机构变得困难，例如世界半导体理事会和国际半导体路线图。尽管如此，他还是成功地让美国生产商相信“合作”才是前进的方向。但 20 世纪 80 年代成立的行业研究联盟 Sematech 不愿意测试新的芯片原型。这促使美国生产商在荷兰开发 IMEC，进一步将生产过程的各个部分从美国海岸移除。

新的国际路线图通过协调国际分工将英特尔的领先地位保持到2010年代。除了保持美国在高端芯片领域的领先地位外，该路线图还为其他国际利益相关者提供了激励。向新芯片设计的转变促成了这一国际化转型，这让像加吉尼这样的人物有机会倡导更多的政府支持。他取得了成功，为建立这些国际机构的外国谈判赢得了政治支持。他还设法获得更多资金，以及随之而来的工业规划和其他政府资源，这些资金通过几个政府机构分配。

失去优势

然而到了 2016 年，英特尔已经失去了在尖端制造领域的领先地位。自九十年代以来，大规模的技术转让发生在光天化日之下，却没有引起任何恐慌。这些转让中最重要的是荷兰 ASML，该公司是唯一一家生产制造现有最佳芯片所需的 EUV 光刻设备的公司，以及台湾半导体制造公司（台积电），该公司生产全球最大比例的尖端芯片。一旦这些芯片价格贬值，半导体行业的常见做法就是将落后几代的旧技术出售给其他代工厂。虽然这些技术转让当时并没有引起多少关注，但却为美国主导地位的丧失铺平了道路。

到 2000 年代初期，整个行业都清楚地意识到，需要新的制造设备才能满足摩尔定律设定的期望。从 2000 年代末开始，向 300mm 高 k 金属栅极芯片的过渡需要全新且极其昂贵的工厂。许多决定不转向 300mm 的美国公司的产品都依赖台湾代工厂。当他们意识到这些代工厂没有技术时，他们将开发团队派往台湾升级技术。这使台湾企业更接近领先优势。供应商意识到台湾晶圆厂将成为主要客户，因此向他们提供了从其他领先公司收集的额外技术知识。与此同时，在英特尔关闭其位于圣克拉拉的第二个研究机构后，2006年至2008年间，台湾英特尔工程师也大量外流返回台湾。这些工程师年龄在40多岁左右，前往台积电时拥有英特尔技术方面的专业知识。

与此同时，苹果的日益成功帮助台积电领先于英特尔。2006 年左右，苹果曾向英特尔提供一份为其电脑提供芯片的合同，但英特尔拒绝了，因为他们认为每个芯片赚不到足够的钱。相反，台积电获得了合同，随着苹果产品需求的猛增，两家公司都获利了。到 2012 年，苹果公司首创的设计制造模式已经彻底改变了电子行业。英特尔继续专注于昂贵的领先芯片，但政府投资很少，研发 (R&D) 预算也减少。尽管如此，由于之前的成功，人们对美国企业主导地位的信心仍然很高，但到 2016 年，当下一代 EUV 光刻技术推出时，英特尔发现自己远远落后于竞争对手。今天，一些评论家指出，尽管有 CHIPS 法案和其他补贴，该公司的财务前景仍然黯淡。

美国政府和半导体行业

尽管美国在该行业的主导地位在 2010 年代明显减弱，但政府选择不介入保护英特尔，就像 20 世纪 80 年代日本公司处于领先地位时对半导体公司所做的那样。结果，政府打破了数十年来一直提振美国芯片行业的政策先例。同样，政府本可以解决由于少数参与者对该行业日益垄断而给尖端芯片的可靠供应带来的风险，但政府也没有这样做。审视半导体行业和美国政府的历史有助于解释美国人的傲慢态度。

自冷战初期以来，半导体一直是美国国防战略的核心，使美国在技术上比苏联的人力优势更具优势。（这被称为“抵消战略”。）同样，美国在越南的傲慢部分是由于夸大了美国技术提供精确指挥和控制的能力。这一愿景后来在沙漠风暴行动中得到了部分实现，更先进的电子设备使美军能够更精确地轰炸军事目标。

20 世纪 70 年代末，随着民用计算的兴起，该行业经历了重大的结构性转变。平民，而不是军方，成为芯片的主要消费者，这导致像贝尔实验室这样的大公司（由主要研究部门组成并依靠大型政府合同维持生计）让位于专注于民用市场的小型初创公司。这些规模较小的公司在 20 世纪 70 年代末和 80 年代初开始面临激烈的国际竞争时，与美国政府建立了密切的关系。他们不仅需要联邦政府作为合同来源，更重要的是，与外国政府进行谈判，获得有利的贸易协议，提供补贴，放宽反垄断和其他主要法规，并帮助集中规划该行业及其供应商。

激进的贸易和外交压力是 20 世纪 80 年代和 90 年代美国半导体战略的特点。美国政府威胁甚至有时对日本企业实施制裁，以确保美国的主导地位。里根政府利用制裁和其他威胁迫使日本将 20% 的日本国内市场割让给外国（即美国）芯片制造商。事实上，美国代表半导体行业的干预开创了一种全新的贸易政策方式，这激怒了当时像Heritage这样的右翼智囊团。到了 20 世纪 90 年代中期，民主党和共和党找到了共同点，利用科技行业的成功来宣传自由市场的胜利、美国例外论和美国企业家的才华等右翼叙事，而制定产业政策的机构则为“科技”行业受到保护，免受新自由主义缩减国家规模的要求

受雅达利民主党政治策略影响，20世纪90年代的克林顿政府特别热衷于拥抱科技产业，认为这有助于解决一方面“财政责任”与工人阶级选民的就业需求之间的矛盾。这在一定程度上要归功于经济学中新增长理论的兴起以及罗伯特·赖克（Robert Reich）和约瑟夫·斯蒂格利茨（Joseph Stiglitz）等产业政策支持者的崛起，他们将技术视为经济增长的关键。他们还认为，科技行业独特地积累了“自然”垄断，并且没有办法绕过它。

在 20 世纪 90 年代末，美国在冷战后建立了一系列新的国际机构，如世界贸易组织（WTO）和世界半导体理事会，这些机构对美国半导体和其他信息产业给予了极大的支持，以维护美国的霸权。同样，新的国际路线图协调了行业中的公司、供应商和其他参与者，创造了“合作” 部门参与者之间具有严格的角色和等级制度。建立和维护国际路线图所需的合作以美国公司的主导地位为基础，并鼓励行业整合。

在乔治·W·布什的领导下，政府对工业的积极参与开始发生变化。唐纳德·拉姆斯菲尔德一直想将技术政策交给国防部，并在福特领导下尝试这样做。在布什政府期间，安全国家与该行业有着密切的关系，但几乎没有直接控制或管理。在克林顿领导下的民主党支持科技政策之后，奥巴马与硅谷保持了这种密切的关系。

至关重要的是，到 2000 年代中期，苹果、谷歌和 Facebook 等公司需要台积电制造的廉价芯片才能取得成功。对于专注于设计的公司来说，这是一笔划算的交易。这意味着他们不必花钱购买极其昂贵的新 300 毫米工厂（如今，典型的晶圆厂成本约为40 亿美元，而尖端晶圆厂的成本可能高达100至 200 亿美元或更多。这种安排使得规模较小的芯片设计初创企业能够生存下来。这在短期内也使消费者受益——这是政府决定反对干预的另一个理由。美国政治阶层并不担心失去芯片制造的领先优势，直到为时已晚。

直到 2016 年，国防界才开始担心英特尔和尖端芯片的获取。四年后，与新冠病毒相关的通用芯片供应链问题的出现，导致美国政界人士也开始关注半导体。白宫声称芯片短缺使美国经济产出损失了整整一个百分点。由于国会缺乏技术知识（源于金里奇取消技术评估办公室等改革），当前的政策制定者将获得低端芯片与英特尔未能在竞争中保持领先地位混为一谈。从他们的角度来看，美国产量下降解释了供应链短缺。正是这种合并产生了CHIPS 法案拜登的行政命令，以及增加通用和领先国内芯片产量的新政治压力。

目前的竞争状态

拜登政府的新行政命令限制中国获得半导体和半导体制造设备（包括“人力资本”）。我们有理由相信这些命令只是说说而已，而不是实质内容。它们很难执行，需要其他国家的合作以及对黑市和灰色市场的控制。它们也没有采取任何行动来削弱中国技术进步的能力——在人工智能应用方面，有一些解决办法。例如，主要人工智能芯片制造商英伟达在 10 月份的业务报告中声称，他们将向中国出售速度较慢的芯片，但用更快的网络来弥补。此外，行政命令没有解决美国工业的根本问题。

多数党领袖查克·舒姆尔 (Chuck Schumer )关于与中国竞争的言论不妨从 20 世纪 80 年代起就被取消了——只用“中国”代替“日本”。他宣称，“参议院将通过多种方式进一步加强美国针对中国剥削性经济和产业政策的立场，这些政策旨在破坏美国的微芯片制造和其他创新，危及我们的经济和国家安全。” 一些左翼人士表示担心这些行政命令会扼杀中国的“技术进步”，但这也有些言过其实。中国正在努力在芯片制造领域做出重大努力，但几乎没有机会赶上成本更高的领先技术。

美国芯片行业的主导地位和发展历来依赖于冷热冲突，例如韩国、越南、沙漠风暴和“反恐战争”。战争促进了半导体的改进并提供了测试技术的场所。反恐战争正式结束后，政府现在需要一个新的紧急状态来激励公众清楚的国家投资。美国安全国家的主要长期担忧是尖端芯片不再由美国公司生产，而是由台湾的台积电生产。

美国能制造自己的尖端芯片吗？美国政客将尖端芯片带回美国的努力引人注目，但还不够。芯片生产是一个资本极其密集的行业；新晶圆厂的建造成本在 40亿至 200 亿美元之间。CHIPS 法案承诺一次性支付 520 亿美元，但只有390 亿美元专门用于“制造业激励”，而 110 亿美元用于研发。CHIPS法案有两个主要目标：振兴国内半导体行业以及将供应链带回美国。

《CHIPS 法案》旨在生产至少“两个新的大规模前沿逻辑工厂集群……由一家或多家公司拥有和运营。” 美国生产的其他目标包括先进封装、领先的存储芯片和通用芯片。该法案促进美国具有经济竞争力的领先存储芯片的生产和未来领先存储芯片的研发，以及提高标准芯片的生产能力。这些都是 390 亿美元的雄心壮志，但愿景文件承认这笔资金还不够。美国与国内外生产商的关系隐含地受到威胁。是否会试图推动英特尔领先台积电，或者美国是否会加倍努力与外国领先企业合作，但鼓励他们在美国制造？或者我们会看到两者的结合？美国产业政策的未来可能悬而未决。产业政策的支持者担心 CHIPS 未能实现其既定目标可能会阻碍未来的投资。

还存在一些实施问题。美国政府通过苹果等半导体客户以及通用汽车等汽车公司施加的政治压力将暂时迫使台积电和三星将更高端的芯片带到美国。美国的生产成本至少是中国台湾和中国大陆的两倍。虽然谁将承担这些成本还有待观察，但像苹果这样的公司很可能将其转嫁给消费者。州政府以税收减免、土地和其他便利设施的形式向这些外国公司提供了大量补贴，但联邦政府尚未花费一毛钱（尽管支出会议正在进行中）。如果没有持续的投资，结果可能会重蹈 20 世纪 90 年代末的陷阱，当时英特尔暂时在爱尔兰生产芯片，因为欧盟威胁要优先选择其他公司并向英特尔提供补贴。当政治压力消退后，英特尔搬迁到更便宜的生产地点。今天，竞争对手已发出警告英特尔同样可能会拿联邦资金只建造工厂的“外壳”。

尽管有人谈论台积电的威胁，但荷兰公司 ASML 的垄断地位对于美国围绕行业集中的安全担忧可以说更为重要。如果台积电崩溃，三星和英特尔可以从 ASML 购买设备（当然，随着行业的适应，会出现几年的混乱）。但 ASML 没有替代品——世界上没有其他拥有 EUV 光刻专业知识的设备制造商可以替代它。美国政府在半导体生态系统中拥有巨大的影响力，它可能会迫使 ASML 在美国制造或传播 EUV 制造知识。这是一个政治意愿问题。

尽管有公共投资，半导体行业仍受到低利润、高成本和不稳定的商业周期的困扰。如今，英特尔是唯一一家能够生产领先芯片的美国公司，并且已经获得了大量补贴。但除了复兴英特尔的领先业务或依赖外国公司之外，还有另一种选择：美国政府可以运营一家国有晶圆厂。虽然国内工厂成本高昂，但美国已经提供资金并维持对必要技术的获取。国有晶圆厂可以通过供应民用市场、减少政府对美国公司的援助以及稳定依赖此类晶圆厂的企业和消费者来生产精确错误测试芯片所需的产量。在芯片制造行业增加一个国家参与者可能在政治上很复杂，但这将是对当前基础设施中重叠挑战的战略和有效回应。

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