专栏名称: 智慧产品圈

营造智慧产品生态圈

美国欲重获芯片制造业的优势

智慧产品圈 · 公众号 · · 2020-11-20 08:45

正文

【最近，美国半导体工程杂志的主编MARK LAPEDUS & ANN STEFFORA MUTSCHLER撰文，从他们自身的角度出发描述了当下中美贸易战背景下的中美半导体之争，以及美国重获芯片制造业优势的野心。我们从中可以看到，中国的半导体行业近些年取得的巨大进步，不仅让美国这个强大的竞争对手感到了压力，也让全球的半导体板块重新洗牌。清醒客观地认识我们的进步和不足，对发展半导体这一关乎国家安全和产业链的核心产业十分重要。全文如下。】

随着贸易紧张局势和对国家安全担忧的不断加剧，美国正在制定新的战略，防止其在芯片制造业进一步落后于韩国、台湾，甚至可能落后于中国。

多年来，美国一直是CPU和GPU等新型芯片开发的领头羊。但从芯片制造的角度来看，美国在两个关键领域正在失去优势。首先，英特尔和美国的代工厂在工艺技术方面落后于其亚洲竞争对手台积电和三星，中国也在缩小差距。其次，美国的新工厂数量和代工产能急剧下降。

美国并没有在所有制造业领域落后。但芯片制造对于保持技术领先地位至关重要，无论从供应链和经济角度，还是出于安全考虑。

多年来，美国公司一直是芯片开发和制造的领头羊。2011年，英特尔推出了第一款22纳米的finFET，在工艺技术方面处于领先地位。先进节点是芯片缩放的关键因素，每一个新节点工艺都能使器件做得更小更快。

如今，技术时代与之前相比已大不相同，我们看到了美国的一些令人担忧的趋势。“我们在半导体制造业失去领导地位已经很长一段时间了，”西门子Mentor的名誉首席执行官Wally Rhines说。“更重要的是在提供前沿代工服务方面的领导能力，这不仅仅是制造业。”

这是一个复杂问题。例如，在先进节点工艺方面美国已经开始落后。英特尔最近推迟了它的新工艺进程，导致其在这方面进一步落后于台积电和三星。

虽然英特尔誓言将解决问题并回到正轨，但这涉及到国家安全问题。拥有先进的工艺流程对于美国国防部和军事/航空航天公司以及商业竞争力至关重要。“它主宰着芯片，主宰着国防、科技和情报产业，”半导体顾问公司总裁Robert Maire在最近的一次演讲中说。“很明显，这与全球霸主地位是密不可分的。美国占主导地位的原因之一是我们的技术，而这一点又植根于半导体行业。”

与此同时，芯片制造商继续以低于亚洲竞争对手的速度在美国建立新的晶圆厂。根据美国半导体协会（SIA）和波士顿咨询集团（BCG）的数据，美国在全球晶圆厂装机容量占比已从1990年的37%下降到2020年的12%。同一时期，亚洲新工厂的发展迅速已经上升到世界产能的80%。

尤其在中国，有一个非常雄心勃勃的半导体发展计划。在1500亿美元资金的支持下，中国正在发展国内集成电路产业，并计划制造更多的芯片。更糟糕的是，包括中国、香港和台湾在内的大中国地区是地缘政治热点，美中贸易战加剧了当今所有领先工艺技术所在地区的紧张局势。任何纷争都将对美国获取尖端工艺技术产生重大影响。

▲ 1990-2030年全球半导体制造业份额（来源：SIA）

美国决策者认识到需要在美国本土建立更多的代工厂，但这是一项昂贵的任务。一个领先的晶圆厂从100亿美元到200亿美元不等，而且投资回报率无法保证。虽然制造业至关重要，但它只是竞争方式中的一部分。总部设在美国的公司继续在芯片设计、特殊工艺、EDA工具和设备方面处于领先地位。

美国正在采取措施在各个方面增强自己的竞争力。其中有：

● 国会提出了一项鼓励计划，以在美国建立新的代工厂。

● 美国希望建立一个芯片财团。

● 格罗方德和英特尔正在升级他们的技术，台积电计划在美国建立一个新的领先代工厂。

● 英特尔成立了一个新的商业实体来开发基于晶粒（chiplets）的设计。晶粒技术，可以在一个先进封装里集成多个芯片，正在成为美国保持竞争力的另一种方式。

目标：更多的美国Fab

在集成电路行业，公司在许多不同的市场上竞争。与此同时，国家之间也在不同的领域竞争。例如在技术领域，各个国家都在争夺5G、AI和量子计算领域的霸主地位。中国的计划重新点燃了全球半导体领域的竞争。

几十年来，集成电路行业一直遵循摩尔定律：芯片中的晶体管密度每18至24个月翻一番。今天的芯片在同一个器件中有数十亿个晶体管。晶体管本质就是一个开关，“Lam Research大学项目主管Nerissa Draeger解释道，“场效应晶体管利用电场来控制沟道的导电性。”

在过去的半个世纪里，芯片制造商一直遵循摩尔定律，这使得他们能够在一个芯片上封装更多的功能。这推动了手机、电脑和其他产品的增长。

不过，在半导体工业的早期，这项技术还很初级。1965年，当戈登•摩尔发表他的标志性观察报告时，芯片是在1.25英寸（30毫米）的晶圆上生产的。当时，建造一个代工厂只需花费100万美元。

几十年来，大多数芯片制造商都在自己的工厂里制造芯片。随着时间的推移，他们转向更大尺寸的晶圆。通过向更大尺寸的晶圆转移，供应商生产的每片晶圆的芯片数量是原来的2.2倍，这使他们能够降低制造成本。但更大的晶圆也需要更大的晶圆厂和更昂贵的设备。

随着时间的推移，半导体需求激增，制造和加工成本也随之激增。从21世纪初开始，芯片制造商从200毫米（8英寸）迁移到现代的300毫米（12英寸）晶圆厂。最初，建造一个12英寸晶圆厂的成本为20亿美元，而8英寸晶圆厂的成本为7亿至13亿美元。

据IBS统计，2001年，有18家芯片制造商拥有可以加工130纳米工艺的芯片晶圆厂，这是当时最先进的工艺。

后来，形势发生了变化。亚洲和其他地方出现了几家为外部客户提供芯片制造服务的代工供应商。那时候的代工厂技术还很落后。

尽管如此，代工模式在21世纪初开始兴起。最初，无晶圆厂设计公司支持了代工行业。“半导体行业已经看到了无晶圆厂模式的兴起，”SIA和BCG的一篇文章称。（作者是 Antonio Varas, Raj Varadarajan, Jimmy Goodrich andFalanYinug）。

在此期间，美国和其他地方的许多芯片制造商再也无力开发新的晶圆厂和工艺。作为回应，一些芯片制造商选择了轻代工模式（fab-lite）。在这种模式下，供应商在自己的工厂生产一些芯片，同时将部分芯片的制造外包给代工厂。

只有英特尔和一些公司仍保留着自己的晶圆厂，并称这给了他们竞争优势。

随着时间的推移，制造业的钟摆转向了亚洲。早些时候，几个亚洲国家通过减税和激励措施支持本国芯片公司。这推动了中国、韩国、台湾和新加坡的制造业繁荣。SIA和BCG的报告称：“政府政策是亚洲经济强劲增长的主要因素。”

这些投资带来了巨大的回报，台湾成为全球代工产能的领头羊。根据SIA和BCG的数据，2020年台湾的产能占全球份额为22%，其次是韩国（21%）、日本（15%）、中国（15%）、美国（12%）和欧洲（9%）。

最值得关注的是中国，中国政府正以补贴的形式向国内芯片设计和制造部门投入数十亿美元。根据SIA和BCG的数据，中国在代工产能的份额将从2000年的3%跃升至2020年的15%，超过美国。

中国虽然在技术上落后，但正在积极追赶。“中国正在建立十几个新的工厂，” D2S的首席产品官Leo Pang说。“然而，中国仍面临许多挑战，包括半导体制造业对人才和知识产权的需求，以及进一步缩小与领先工艺技术的差距。”

在中国扩张的同时，美国仍然停滞不前。根据SEMI的数据，2020年，美洲地区共有76家代工厂，低于2010年的81家。“这包括来自非美国公司的美国工厂制造能力，如三星、NXP、Infineon、X-fab、Tower、TSMC和Broadcom，以及格罗方德，”SEMI分析师Christian Dieseldorff表示。

Dieseldorff称，除去非美国工厂，美国企业的产能份额降至10%。总的来说，根据SIA和BCG的数据，美国在Fab产能中的份额是一个混合体，模拟占30%，逻辑占12%，内存占5%。

不过，据SEMI称，美国仍在兴建新的晶圆厂项目。它们包括：

● Cree: SiC生产线（纽约）

● 格罗方德: 代工厂（纽约）

● 英特尔：逻辑生产线（俄勒冈州）

● TI：模拟生产线（德克萨斯）

● 台积电：代工厂（亚利桑那州）

未来，美国希望为国家安全和供应链目的建立更多的代工厂。“随着全球竞争对手大举投资，吸引先进的半导体制造业进入本国市场，美国必须参与其中，使我们的国家成为一个更具竞争力的地方，以培育这种具有战略意义的技术，”SIA总裁兼首席执行官John Neuffer说。“过去30年来，全球半导体制造业在美国的比例大幅下降，这主要是因为其他国家提供了大量的政府激励措施，而美国却没有。同一时期，联邦政府对半导体研究的投资占国内生产总值（GDP）的比重一直持平，目前仅占美国半导体企业研发投资的一小部分，2019年美国半导体企业研发投资总额近400亿美元。美国有机会真正扭转形势，推动国内芯片制造和研究，这将加强美国芯片技术和美国经济、国家安全、供应链弹性，以及应对未来像流感大流行这样的危机。”

美国还出台了一些解决办法，包括国会议案。这项法案名为《美国半导体制造激励措施法案》（CHIPS），呼吁为一项新的联邦拨款计划投资100亿美元，以鼓励在美国建立新的晶圆厂。它还包括投资税收抵免，总共是220亿美元。

不过，这项法案至今仍被国会搁置，还不清楚它是否能获得启动。但是，提案时间太晚了，而且数字也太少了。根据SIA和BCG的预计，半导体行业需要500亿美元的激励，但即便是这个数字也远远不够。

即使是兴建几家晶圆厂，这个数字也难以支付。例如，在台湾，台积电正以195亿美元的价格，为其3纳米工艺建造一个12英寸晶圆厂。

另外，在美国建立新工厂的成本比亚洲要高。英特尔正在亚利桑那州扩建其新的42号晶圆厂，但它也计划在爱尔兰和以色列建立新的晶圆厂，因为这些国家提供了更好的激励措施。

尽管如此，英特尔和其他公司认为，芯片法案是一个良好的开端，需要以某种形式的激励措施。“我们现在在美国的代工份额是12%，”英特尔政策和技术事务组织副总裁 Greg Slater说。“未来十年，这一比例可能会降至10%以下。当然，除非我们通过政府激励措施扭转这种局面，否则这种局面将继续下去。”

情况似乎并不是那么简单。“美国的代工产能可以得到补贴，增长幅度超过12%，但这对该行业有好处吗？”塞米科研究公司分析师Adrienne Downey问道。“在过去的5到10年里，该行业在产能管理方面做得很好。内存市场就是一个很好的例子。有效管理产能意味着更稳定的ASP/收入。过去，受补贴的晶圆厂造成了产能失衡。”

还有其他问题。“如今，业内很少有公司能填充200亿美元的晶圆厂产能。台积电成功地填充了他们的Fab，因为他们有数百名客户和数千种产品。仅仅增加产能并不能保证在该行业取得领先地位。”Downey说。

不管怎样，如果美国不在半导体制造业采取行动，将会带来经济后果。“这意味着，美国领先的新技术和创新的增长将逐渐转移到世界其他地区，”Mentor的Rhines说。“中国近期的风险投资规模大于美国，但要赶上美国还需要一段时间。问题是，如果美国的风险投资下降，即使被联邦政府补贴抵消，技术创新也会逐渐消失。这意味着最上游的设备创新也将逐渐消失，也意味着经济和就业增长将放缓。”

工艺竞赛

与此同时，美国的芯片制造商在诸如III-V族、模拟和射频等特殊工艺领域一直保持着自己的优势。美国在28纳米/22纳米及以上的成熟逻辑工艺方面很强大。

“美国仍然有一个仍在美国本土制造的成熟产品基地，”塞米科的Downey说。“在大多数电子器件中，每一个前沿芯片都需要至少5-10个成熟的芯片来配合。如Qorvo、OnSemi、NXP、ADI、Broadcom、Skyworks和Microchip等公司都在美国设有工厂。SkyWater是一家Fab通过提供创新的选择和帮助开发新的解决方案，为老代工厂注入新活力的一个例子。”

但美国在先进逻辑/代工方面落后。多年来，英特尔一直是半导体工艺技术的领导者，但它并不是唯一的竞争者。如前所述，在2001年，有18家芯片制造商可以生产先进的130纳米芯片。

随着时间的推移，工艺成本不断上升，能够在先进节点开发前沿技术的参与者越来越少。

传统的平面晶体管在20纳米处发生了巨大变化。英特尔在2011年转向了下一代22纳米的finFET晶体管。代工厂以16纳米/14纳米的速度迁移到finFETs。（英特尔的22纳米相当于来自代工厂的16纳米/14纳米。）

▲ FinFET与平面晶体管对比（资料来源：Lam Research）

FinFETs以较低的功耗提供更高的性能，但它们的制造难度和成本也更高。美国电话公司副总裁兼副总经理 Ben Rathsack说：“这是因为制造这种器件所需的工艺步骤太多了。”

FinFETs还缩小了制造业基础。目前只有六家代工厂/IDM拥有迁移到16纳米/14纳米finFETs的资源。这些供应商包括格罗方德、英特尔、三星、台积电和联电。中国的中芯国际最近进入了14纳米finFET市场。

与此同时，2016年，英特尔希望通过推出10纳米的finFET工艺来扩大其在逻辑技术领域的领先地位。但由于种种原因，英特尔两次推迟10纳米，并最终在2019年发布了基于该技术的处理器——比预期晚了大约两年。

在英特尔10纳米延迟的情况下，台积电在2018年初发布了全球首个7纳米的finFET工艺，在技术上超过了英特尔。后来，三星推出了7纳米。（英特尔的10纳米大约相当于代工厂的7纳米。）

这一点很重要。有几个原因，英特尔，在代工业务中是小的参与者，并没有完全与台积电竞争。然而，台积电为英特尔的竞争对手AMD和Nvidia提供代工服务。因此，英特尔的竞争对手突然在工艺技术上占了上风。

还有其他的变化。2018年，格罗方德和联电停止了各自的7纳米努力。7纳米的开发需要巨额投资，但两家厂商都表示由于回报率不确定而中止。这两家公司仍活跃在16纳米/14纳米及以上工艺。

尽管如此，7纳米的调整将制造基地缩小到三家公司，即10纳米/7纳米的英特尔、三星和台积电。但后来的情况又发生了改变。

2020年初，台积电和三星开始出货5纳米。与此同时，英特尔推迟了7纳米，使其进一步落后于两个竞争对手。中芯国际也在开发一种类似7纳米的工艺，目前仍在研发中。最近，中芯国际从中国的IP供应商Innosilicon首次实现了7纳米工艺的流水作业。

“显然，英特尔在这里跌跌撞撞，现在看起来至少有6个月，甚至有一年的延迟到7纳米，”半导体顾问公司的Maire说。“英特尔在摩尔定律中显然落后于台积电，而不是与台积电并肩作战。显然，格罗方德止步于14纳米，因此，在美国，我们真的再也没有一家代工厂或IDM处于领先地位。”

美国并没有停滞不前。英特尔公司发誓将解决这个问题，最终将推出7纳米。该公司还正在考虑一项计划，将其7纳米的部分产品外包给代工厂。

为了重新夺回自己的优势，英特尔希望成立一个美国芯片财团。作为计划的一部分，英特尔提议在政府的支持下运营一家美国代工厂。目前还不清楚这项计划是否会启动。

最近，格罗方德在纽约州的12英寸工厂附近获得了一块新的土地，用于一个大型扩张计划。“随着资本对半导体制造业投资的共识日益增强，”格罗方德高级副总裁兼总经理Ron Sampson说，“现在比以往任何时候都更重要的是，我们准备好在美国格罗方德最先进的制造工厂快速实施我们的增长计划。”

也许美国市场真正的希望在于台积电，该公司计划在亚利桑那州建立一个新的领先的5纳米晶圆厂，工厂定于2024年投产。

不过，目前尚不清楚美国能否在工艺技术方面重新获得竞争力，也不清楚哪家公司将在美国代工业务中占据领先地位。

“我们在以代工为基础的制造业方面落后，可能在所有半导体制造业也落后。我们落后了，但这并不是我们在较短时间内赶不上，”Mentor的 Rhines说。“在代工方面，我们必须在格罗方德或台积电的美国业务基础上再接再厉。政府倾向于英特尔是一种可能性。但是，即使你能在美国获得可行的代工服务，如果你不能把你的产品卖给世界上最大的客户，那对你的帮助也不大。”

晶粒时代

未来，来自不同国家的几家公司将继续在工艺技术竞赛中竞争。但这并不是保持竞争力的唯一途径。

通常，为了改进设计，工业界开发了一种ASIC，使用芯片缩放来将不同的功能集成到一个单芯片上。但是，缩放在每个节点上变得越来越困难和昂贵，从缩放中获得的功能和性能优势正在逐渐减少。对于7纳米以下的每一个新节点，缩放可以将性能提高约10%到20%，但架构更改、专用加速器和软硬件协同设计可以将性能提高10倍至1000倍。

此外，并非芯片的所有部分都能从缩放中获益。数字逻辑有，但模拟器件不可能。因此，与其缩放把全部功能放在一个芯片上，行业正在转向用先进封装来封装多颗裸片。

美国欲重获芯片制造业的优势

正文

请到「今天看啥」查看全文