在白宮,在橢圓形辦公室左邊的房間裡,白宮科學技術委員會正在向歐巴馬提交他擔任總統的最後乙份報告。
哈佛大學物理系首席科技顧問霍爾德倫教授在詳細解釋報告內容後,向民眾發出警告,他強調,中國晶元技術的發展威脅到了美國的安全。
然而,由於當時正處於關鍵階段,歐巴馬和國務卿兼候選人希拉莉·柯林頓都沒有把這一警告放在心上。
只有作為吉祥物的拜登聽得津津有味,不時點頭表示贊同。
五年後,當拜登再次走進這個房間聽取報告時,除了兩個最明顯變化的地方外,其他一切都沒有改變。 一是他完成了從副**到白宮老闆的華麗蛻變,二是他比五年前的中國晶元製造行業還要強大。
根據波士頓諮詢集團**:
到2030年,中國大陸計畫將全球晶元產能提高40個,並有望成為全球最大的晶元生產基地。相比之下,美國晶元製造在全球市場的份額從1990年的37%下降到2020年的12%,成為所有高階產業中最薄弱的一環。
拜登很清楚,中美之間的晶元戰看似是美國一邊倒的**,但實際上是一場雙方各佔一半優勢的生死競賽。 中國擁有晶元產能優勢,需要在技術層面彌補短板,這是自下而上的突破; 美國擁有技術專利的優勢,但缺乏將技術轉化為實物的產業鏈,這是一種自上而下的重構。
未來十年,中國可以贏; 美國可以玩,美國贏了。
一
2024年1月31日,美國國防部以與中國人民解放軍合作為由,將十幾家從事晶元和人工智慧的中國公司列入中國公司名單,並宣布保留對這些實體採取進一步措施的權利。 在此之前,華為也被新增到列表中。
五角大樓的舉動看似高高在上,但內心卻充滿了焦慮,而這種焦慮的根源,就是要向別人的過去學習:中國走上了美國如神之路。
美國晶元的發展到現在,很大程度上要歸功於軍隊在起步階段的精心培育。
1947年,當貝爾實驗室偶然發現半導體時,剛剛經歷過二戰洗禮的科學顧問團敏銳地意識到,假以時日,這個小工具將不可避免地改變世界,但問題是如何讓它生存到那個時候。
於是,在科學顧問團的強烈建議下,五角大樓很快將半導體列為軍民融合支撐的戰略專案,同時適用於合同競爭法中的第二來源機制。
第二種來源機制,具體是指國防部在採購關鍵部件時至少使用兩個不同的供應商的做法,以防止過度依賴單一供應商。
由於雞蛋不放在乙個籃子裡的原則,國防部採購的任何薯片都至少由兩家公司生產。
另一方面,第二個來源也連線了採購和技術轉讓,要求貝爾實驗室等大型研發部門根據研發流程公布技術細節,並根據專利轉讓法許可其他公司使用這些新技術。
對於貝爾實驗室來說,在美蘇爭奪前線霸權和財政相對緊張的情況下,第二貨源為他們提供了超越第一層的財政支援。 但更重要的是,隨著越來越多的公司生產半導體,豐富的資料為科學家迭代技術指明了方向。
對於國防部來說,第二貨源不僅保證了第一鏈條的穩定,又避免了資金浪費和壟斷滋生。
對於公司來說,左手技術共享和右手加強反壟斷的第二來源,讓新技術在短時間內普及了整個行業,後世很多知名晶元公司都是在這個野蠻擴張的時期誕生的,比如模擬器件巨頭德州儀器。
對於行業來說,國防部對第二貨源的穩定採購,讓行業不再需要估計市場經濟規律的影響,幾乎所有企業都把重點放在了創新上,從而再次刺激了晶元半導體產業的繁榮。
雙贏的局面已經奠定,然而,即使第二貨源的福利好,軍隊的胃也總是有限的,當吃不完的籌碼堆積得越來越多時,民營市場就成了決定性的贏家和輸家。
美國晶元朱樓夢破滅的禍根,源於此。
二. 二.第二
東京,羽田國際機場。
一名35歲的中年男子在舷梯上揮手告別,如果現場有人是攝影師,他會認出他就是著名的索尼前總裁岩間一夫,人稱CCD Kid,但此時的他只是東京電信工業錄音機製造部門的負責人。
1951 年,岩間一夫在董事會接到一項艱鉅的任務,在美國貝爾實驗室學習半導體電晶體技術。
作為服務於美方的頂級實驗室,貝爾具有非常高的保密性,不允許在現場做筆記、拍照或提出主題以外的問題。
岩間一夫只能打出不如壞筆的好記憶力,白天在實驗室裡把東西學得透徹,晚上回去在筆記本上一點一點的寫下來。就這樣,岩間一夫花了四年時間寫了一篇256頁的手稿,卻沒有意識到,他那本幾乎被紙漿化的筆記本,已經為日本電子工業譜寫了一條廣闊的道路。
1955 年 8 月,東京交通省根據岩間一夫的手稿開發了世界上第一台以電晶體為元件的 TR55 錄音機。
錄音機爆炸後,不僅振興了私營部門的半導體市場,也開啟了美國負責創新技術、日本負責製造產品的新時代。
從那時起,在美國和日本有很多類似的岩間一夫的例子。
上世紀六十年代,當低功耗晶元CMOS在紐澤西州的半導體公司蓬勃發展時,日本工程師佐佐木忠(Tadashi Sasaki)設想將CMOS工藝應用於積體電路,為他的公司夏普(Sharp)生產袖珍計算器。
但只有一家美國公司接下了訂單,其他公司都拒絕了,因為民用市場CMOS訂單的利潤率很低,而且會擠壓軍用晶元產能。
後來,CMOS晶元的應用數量增加,日本在70年代通過產業政策徹底掌握了這項技術。 當CMOS工藝在節能和小型化方面的潛力得到充分發揮時,日本在技術和生產能力上完全碾壓美國。 1990年,世界排名前四的CMOS公司中有三家是日本公司,只有一家在美國。
無獨有偶,上世紀50年代,全球最大的電視機製造商RCA率先推出了LCD技術,但由於難以應用於電視機,以300萬美元的價格將所有技術專利賣給了夏普。
秉承先易後難的原則,夏普首先在不需要高顯示,只需要幾個字元更改即可維持產能和收入的計算器上使用LCD,然後結合技術進步開發大尺寸LCD顯示器。
到本世紀初,日本已成為世界上最大的面板生產國,每年創造高達1000億美元的盈餘。
成功也是蕭何,失敗也是蕭何。
軍工採購不僅為晶元創新鋪平了漫長的舞台,也因為缺乏市場競爭,美國廠商逐漸失去了產能優勢和技術意識。
正因為如此,在第一次世界大戰的儲存晶元中,美國儲存晶元製造商幾乎被日本同行一邊倒。 到八十年代初,當戰爭結束時,美國至少有百分之八十的儲存晶元公司已經永久退出市場。
與此同時,美國預料到的CPU邏輯晶元,在變道超車的過程中,無意中造成了晶元生產模式的大幅背離,讓本來就血流成河的美國晶元製造產業直接倒在了中間。
三
台北,台灣,中國。
冒著12月冰冷的冬雨,三星掌門人李坤熙趁著時間吃了早飯,與台積電創始人張忠謀進行了深入交流,此行的目的也十分明確:挖走這位曾經帶領德州儀器崛起成為世界製造商的晶元巨頭。
儘管台積電成立不到兩年,三星已經在青瓦台和美國的支援下在半導體行業發表了宣告,但張忠謀堅決拒絕了李的邀請。
因為他認為,越是精細的事情,越要交給專業的人去做,只有這樣,產品才能更具競爭力,企業的利潤才會最大化。
晶元分工的時代即將到來,成為專業的晶元代工很有前途。
在張忠謀精心規劃的十年裡,隨著家用電腦的暢銷,CPU等邏輯晶元的產能與日俱增。 於是,已經從儲存晶元上撤退的美國半導體廠商紛紛將賭注押在邏輯晶元上,希望它能完成對日本的超越。
但讓美國沒想到的是,當邏輯晶元遭遇全球化浪潮時,持續了40多年的IDM模式正在逐漸衰落,美國晶元製造業僅存的高層建築在輕資產的概念和幾乎不設防的產業轉移中坍塌。
所謂IDM,是指半導體生產的三大核心環節:設計、製造、封裝和測試,全產業鏈負責模型。
這種模式的優點是產能強,能全面實施自己的戰略,而缺點是企業生產戰線長,投資成本大,如果最終產品在市場競爭中敗訴,就會拖累整個產業鏈。
日本製造業崩潰的原因,本質上是採用類似IDM模式的日本企業在終端產品輸給中國和南韓後無法賺錢。
在半導體或儲存晶元為王的時代,晶圓設計相對簡單,真正的難點在於生產工藝,需要依靠晶圓廠的技術優勢,所以早期的儲存晶元廠商都有自己的工廠,無論是設計、製造還是封裝。
邏輯晶元興起後,難點已經轉移到設計方面,不同的設計和布置會導致效能上的絕對差距,晶圓廠的產能只會影響功耗和頻率效能,這在大層面上是無害的。
比如澎湃系列的效能遠不如麒麟系列,這足以說明,影響晶元效能的決定性價值不是生產工藝,而是設計安排。 因此,大多數製造處理器的品牌根本不需要自己的工廠。
這種生產模式的巨大分化,加上當時國際產業轉移的慣性,給了美國從一端到企業端消除冗餘的充分動力。
四
在白宮會議廳裡,柯林頓作為戰後最熱衷於科技事務的人,正津津有味地聽著科技諮詢委員會的報告。
三個月前,能源部長向他報告說,英特爾打算一勞永逸地打破193nm波長限制。
九十年代初,由於基礎理論和材料的侷限性,光刻機光源的波長停留在193nm上20多年。
英特爾計畫使用高功率 CO2 雷射器發射波長為 13 的波長5nm極紫外光徹底解決了這個問題。
該波長僅為氟化氬雷射器的十四分之一,能夠雕刻7nm以下的晶元。
然而,它涉及大量的基礎科學研究和精密零件匹配,英特爾無法獨自完成,因此它拉來了尼康、摩托羅拉、ADM等大型製造商,以及當時還默默無聞的台積電和ASML一起研究。
這個專案是可行的,但風險和成本太大,他們無法共同承受。 英特爾只好找上能源部,希望美國能帶頭這樣做,而這次會議是最後的戰慄。
聽完報告後,柯林頓當場做出決定,動員勞倫斯·利弗莫爾、勞倫斯·伯克利和桑迪亞三個國家實驗室前往一線進行研究,並從科技部和能源部撥出2億美元,用於EUV光刻機的研發。
但他有乙個條件:他不想要尼康,畢竟美國正在全力押注EUV光刻技術,以便從日本手中奪回對全球半導體產業鏈的控制權。
在國運面前,尼康出局了。
被業界視為半導體山頂城市的EUV LCC聯盟誕生了。
這次會議對後世產生了一些特別深遠的影響,例如ASML和台積電在自己的軌道上崛起為世界領導者; 另乙個例子是日本,它錯過了EUV技術,半導體行業已經陷入崩潰。
當然,對於美國來說,最重要的是晶元產業的去製造化程序大大加快。
1981年,里根啟動新政改革,倡導市場原教旨主義新自由主義,而不是主張國家干預的凱恩斯主義,取消了對先進技術和關鍵產品外商投資的限制和規定,一批高階製造企業在輕資產概念的指導下,開始將製造業環節轉移到其他勞動蕭條地區。
特別是在晶元行業,就連公司出台的行業政策的重點,都是要消除行業的重複和冗餘,實現投資價值最大化,節約企業成本,提公升半導體企業的競爭力。
因此,企業自然會認為,將大量工人集中在乙個環節是浪費和低效的,如果能夠將製造過程外包,縮小公司的規模,他們的競爭力將大大增強。
以EUV LCC聯盟聞名於世的台積電,為美國的這一需求提供了完美的解決方案,因此晶元製造向東亞轉移的帷幕已經開始。
儘管有人對自願放棄晶元製造表示擔憂,但柯林頓並不為所動。
晶元製造的前提是裝置,美國三大國家實驗室的專利技術支撐著EUV的執行邏輯,來自美國和歐洲40個國家的數萬個零件支撐著EUV的成品組成。
另一方面,美國的技術決策充滿了地緣政治思想。 在柯林頓看來,半導體製造雖然不在中國,但仍然在美國的勢力範圍內,所以問題不大。
但是,當中國這個美國勢力範圍之外的國家開始展示其強大的半導體製造能力時,一切都發生了微妙的轉變。
五
2024年1月31日,英特爾突然宣布,原定今年在俄亥俄州建造的晶圓廠,由於長期缺乏財政補貼,將推遲到2026年。 在此之前,台積電在亞利桑那州的兩家3nm工廠也因補貼和人才問題被迫推遲。
毫無疑問,這是對拜登推動本土晶元製造計畫的進一步打擊。
重建本土晶元產業是拜登的第一國策。 數位化和人工智慧的廣泛應用,改寫了產業的底層結構。
在機械時代,誰控制石油,誰就控制了所有國家,而在人工智慧時代,這句話的主語變成了晶元。 美國絕對不會將可能影響全球產業趨勢的晶元製造業拱手讓給中國。
為此,拜登不僅用行政手段逼迫三星和台積電在美國建廠,還在2022年出台了《晶元與科學法案》,專門撥款520億美元支援英特爾等美國傳統廠商重建晶圓生產廠,但結果適得其反。
台積電和英特爾專案的推遲,讓美國從幕後重建本土晶元產業的兩道不可逾越的障礙,而英特爾就是錢的問題。
先進晶圓廠的TCO(總投資成本)由兩部分組成,前期資本支出由土地、建築物、裝置和發電設施組成,運營成本由勞動力、公用事業、材料和稅收組成。
美國半導體協會(American Semiconductor Association)計算出,由於人工、材料、配套設施成本高,美國晶圓廠的TCO比台灣、中國大陸或新加坡的同一家晶圓廠高出約25至30倍,比激勵政策最好的中國高出50%, 而這筆費用對於企業來說簡直是無法承受的。
例如,到2030年,英特爾將在俄亥俄州的晶圓廠專案上投資超過1000億美元,而英特爾去年的利潤剛剛超過100億美元。
雖然新法案表明拜登願意為晶元企業提供激勵,但發布政策是一回事,能否實施又是另一回事。 英特爾和台積電都強調,他們曾多次向**申請補貼,但從未收到任何回應。
至於為什麼沒錢,答案很簡單,債務快要掏空聯邦財政了,一蘿蔔一坑,拜登要先把強制支出的賬目從其他地方搬走。
但問題是,算上強制性開支的賬目,晶元補貼還能剩下多少錢?
台積電是人為問題,工廠找不到熟練的技術人員來安裝關鍵精密裝置,EUV光刻機後期執行和支援人才短缺。
就連張忠謀也曾警告說,美國增加國內晶元產量是昂貴、浪費、徒勞的,美國製造晶元的成本比台灣高出50%,因為美國晶元製造行業沒有擴張和成功所需的人才庫。
難過山,傷心迷路。
而比迷路的人更可悲的是,他知道路在**,卻永遠走不過去。
當美國用權力開啟晶元產業回流的最後一道屏障時,發現真正的關山不是在關山外,而是在關山內。
資金和人才的問題就像兩條不可逾越的護城河,阻擋了美國重塑本土晶元產業的雄心壯志。 攻城需要勇氣,攻城也要有死活的決心。
刮骨頭癒合傷口,不要折斷或站立!
在中美長期晶元製造產業的生死競賽中,誰會死還不得而知。