美国制裁之下,中国或仍能重塑全球芯片市场

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江苏省泗洪县一个芯片工厂的工人在生产线上。(2020年2月16日)

华盛顿 —

最新的一系列迹象显示,美中两国在芯片领域的博弈似乎更趋激烈。美国上星期(6月28日)以涉嫌支持俄罗斯军事和国防工业为由,将5家位于中国的公司纳入实体清单,其中三家与半导体产业相关。同一天,中国领导人习近平前往湖北一家芯片业公司考察,称目前中国突破“卡脖子”关键核心技术已经“刻不容缓”。

同样是在上个星期,包括英特尔、英伟达、德州仪器、谷歌、亚马逊、微软等等在内的120多家美国最大的科技公司罕见联名发表公开信,敦促国会通过一项将大规模扩大美国芯片制造规模的法案。这一被简称为《芯片法》的议案提出为国内半导体产业提供520亿美元的投资,以扭转美国在全球半导体产业链中的份额大幅下降的趋势。

中国近年来倾“举国之力”发展芯片产业,尽管基本局面还尚未得到根本改善,但一些迹象显示中国在半导体供应链中已经逐渐形成一定的优势,分析人士警告说,中国正在重塑全球芯片市场。

哈佛大学教授格雷厄姆·艾利森(Graham Allison)和谷歌公司前首席执行官埃里克·施密特(Eric Schmidt)最近联合撰文指出,中国半导体行业已经取得了引人注目的进步,有望在2025年超越台湾成为全球最大的芯片制造产地。这位肯尼迪政府学院创始院长、《注定开战:美国和中国能否逃脱修昔底德陷阱?》的作者和曾领导谷歌长达十年之久的施密特在华尔街日报的文章中甚至警告说,“美国处在输掉这场芯片竞争的边缘”。

据彭博新闻社最近公布的数据,目前中国芯片产业的增长速度超过世界其他任何地方,在过去四个季度中,全球20家增长最快的芯片行业公司中,有19家来中国。相比之下,去年同期只有8个。这些对芯片制造涵盖了芯片制造至关重要的设计软件、处理器和设备等领域,他们的收入增长速度是全球领先企业台积电或阿斯麦(ASML)的数倍之多。

英国资本市场研究机构“推介誊录”(PitchBook)的一篇报告说,美中两国的半导体初创企业一直倍受风险投资者的青睐,但在这一关乎未来芯片技术的领域,中国似乎占到了上风。该机构举例说,去年全球风险投资对半导体公司的投资曾创下新的记录,但第一季度多达70%的风投资金流向了中国公司。

中国在芯片产业链中的强项

尽管中国的高端芯片产业被普遍认为远远落后,但在该产业链中中国也有一些强项,在某些特定领域中国公司或已接近和赶上国际先进水平。

随着半导体晶圆越来越轻薄化,激光加工已替代传统切割方式。中国官方媒体报道说,习近平上星期到武汉期间首先走访的武汉华工激光工程公司对习近平说,该公司已经“攻克了这项‘卡脖子’技术”,他们自己主持研发的集成电路载板激光刻蚀装备已经达到国际领先水平。习近平回应说:“光电子信息产业是我国有条件率先实现突破的高技术产业”。

在存储芯片方面,中国国企长江存储已开发出具有全球竞争力的计算机闪存设备NAND芯片。《日经亚洲》(Nikkei Asia)最近报道说,苹果已经考虑使用中国的存储芯片。报道说,苹果自去年以来一直在测试长江存储的闪存产品,最早可能在今年下达一定的订单。

在为超级计算机、中央处理器(或 CPU)提供动力的芯片方面,中国处于世界领先地位。中国拥有世界上最先进的超级计算机,其超级计算机不再依赖美国的芯片制造技术。根据最新统计,世界500强超级计算机中,中国拥有186台,美国123台。

在集成电路的设计、制造和封测三大环节中,中国在封测环节相对最为强势。据美国半导体行业协会 (The Semiconductor Industry Association,SIA)提供的数据,中国在芯片组装、封装和测试方面占全球市场的38%,台湾占 27%,美国仅占 2%。

中国国有控股的承销保荐机构东莞证券在最近一份有关半导体封测的专题报告中说,在先进封装领域正逐渐缩小同国际先进企业的技术差距,在去年全球营收前十大封测厂商排名中,有三家企业位于中国大陆,分别为长电科技、通富微电和华天科技。

在将制成的芯片安装到任何设备的过程中电路板必不可少,而全世界一半以上的电路板都是在中国制造的。与芯片制造、光刻设备一样,中国的芯片设计是另一个被“卡脖子”的严重问题,中国虽然缺乏领先的相应的工业软件,但在设计营收的领域正在急起直追。台湾的市场研究机构集邦(TransForce)的最新报告显示,一家中国企业首次在全球芯片设计市场排名中挤进前十,位于上海的韦尔半导体股份有限公司在全球芯片设计市场排名中名列第9。

关键原材料市场上的主导地位

中国在半导体产业链中最大的优势或为其在某些关键原材料市场所占据的极为强势的主导地位。

美国地质调查局的数据显示,中国去年生产的硅材料约占全球总产量的70%。金属钨凭借着优异的力学、热学、电学等性能,成为从火箭发动机喷管喉部材料到半导体芯片等众多高科技产品不可缺少的材料。中国是产钨大国,钨资源储量占世界总储量的70%左右,产量占世界总产量的80%。

另一种半导体制造中必不可少的金属材料镓更是为中国几乎完全控制。据美国地质调查局的年度报告,除了中国外,世界上仅有俄罗斯、日本和韩国生产少量的镓。中国地质调查局的一篇研究报告说,中国镓矿资源储量和产量均高居世界首位,全球镓的储量约为23万吨,其中中国储量19万吨、美国仅有0.45万吨。

在半导体制造用的最多的材料中,除了硅和镓,还有锗。据美国地质调查局的数据,2021年全世界的锗产量为14万吨,其中中国占了9万5千吨。

在美国半导体行业协会所列出的重要原材料中还包括另一被中国列入战略性矿产的萤石。中国萤石以杂质少、容易加工而闻名。在半导体蚀刻工序中氢氟酸必不可少,而氢氟酸是在中国产萤石中添加硫酸制造出来。中国是世界上最大的萤石生产国,美国地质调查局的年度报告说,2021年世界总产量8千多吨,其中中国占了5千4百吨。

人海战术

据国际半导体设备材料协会(SEMI)今年4月公布的数据,中国连续两年是全球购买半导体生产设备最多的国家。仅去年一年就达到296亿美元。中国进口的设备虽然不是最新的设备,这意味着中国在中低端芯片的产能会大幅提高,而世界上大部分电子产品所需的芯片产品并不需要最高端的芯片。

艾利森和施密特在最近的文章中指出,从1990年到2020年,中国建造了32家半导体超级工厂,而世界其他国家只建了24家,美国一家也没建。

他们指出,虽然拜登政府已经借《创新与竞争法案》向半导体制造业投资约500亿美元,但国会仍在就这项法案进行磋商,仍尚未通过。即使通过了,美国的投资也仍将仅为中国政府未来支出金额的三分之一。

韩国最大的传媒机构《中央日报》最近援引一名北京大学的韩国专家提供数据报道说,中国目前有7万多家半导体相关企业,“这就是中国半导体的人海战术”,今后连半导体制造业大国韩国都可能会从中国进口。五月份,中国对韩国的贸易近30年来首次出现顺差,其中主要原因被认为是两国半导体交易额的逆转。韩国从中国的半导体进口总额为24亿美元,比一年前同期增加40.9%。而韩国同期对中国的出口增长率仅为11%,增长势头方面中国比韩国快了近4倍。

从稀土、光伏、到高铁等领域,中国的后来居上之道是:政府扶持之下,从低端做起,凭借超大市场和制造能力,以价格优势起家,逐步缩小技术代差,最终登上产业金字塔之巅。

彭博社指出,中国半导体产能的增长意味着世界将更加依赖中国的供应。

韩国总统国家经济顾问委员会副主席李根(Keun Lee)最近撰文说,半导体行业龙头企业的地位并不是一成不变的,毕竟,三星等韩国公司就成功地超越了东芝等日本公司。在遭美国制裁的情况下,中国很难复制韩国公司这种跨越式战略,但是这并不是说中国没有机会发展出先进的、甚至是世界领先的半导体产业。这位《中国的技术跨越与经济追赶》一书的作者指出,例如,汽车公司不使用最先进的制造工艺,他们用的是20、或30纳米的工艺,而这类技术转让并未受到严格控制。在这一领域,中国代工制造商正在获得巨额利润,这些利润可用于投资先进或下一代芯片。

战略与国际研究中心高级副总裁兼战略技术项目主任刘易斯(James Lewis)说,中国正在重塑全球芯片市场,其战略目标是取代西方供应商,谋求重组全球秩序,让中国占据主导地位。他在接受美国之音采访时说,中国对芯片业的投资是出于政治原因,而不是经济或商业原因,中国将以一种不公平竞争的方式降低低端芯片的全球价格。他说:“这将导致全球产能过剩,这意味着会有更多的芯片公司、更多的芯片、更低的芯片价格。”

中国国家统计局今年初公布的数据显示,中国2021年生产了3594亿块集成电路,同比增长33.3%。总部设在美国的半导体行业协会(SIA)的一份报告预测,如果保持目前的势头,到2024年,中国的半导体行业在全球销售额中的占比可能高达17.4%,与去年相比几乎翻了一番。

哈佛大学肯尼迪学院贝尔弗科学与国际事务中心的研究助理员凯文·克莱曼说,中国目前虽然也出口芯片,但主要的目标是供应链自给自足。他对美国之音说:“中国最早可能在2025年、更可能是在2030年成为全球领先的芯片制造商,到时候其他国家肯定会依赖中国的芯片。”

中国能否弯道超车?

虽然有这些成功,但中国真正的突破或来自美光科技去年一项革命性创新的启示。

总部位于爱达荷州的半导体制造公司去年宣布,公司用上一代工艺机器—“深紫外光刻(DUV)”,而不是ASML的“极紫外光刻机(EUV)”率先于业界突破了 1α(阿尔法)动态随机存取存储器 (DRAM)制程技术,并且已经批量出货。美光称,其基于 1α (1-alpha) 节点、相当于10纳米级别的技术是美光一重大里程碑,在密度、功耗和性能等各方面均有重大突破。

这意味着美光用“深紫外线”光刻技术在晶圆上布置DRAM单元芯片细节,完成了其他公司用波长较小的新一代“极紫外光刻机”也没有完成的工艺制程。

从光源波长的角度来说,深紫外光刻机理论上远不如极深紫外线的波长短,折射率和能量都不如极深紫外线。极紫光刻的波长极短,为13.5纳米,而深紫光刻使用的是254-193纳米的光。

目前荷兰的阿斯麦(ASML)是世界上唯一有能力生产高端极紫外光刻机的公司,英特尔、三星电子和台积电等都无一例外地在用阿斯麦的极紫外光刻机生产芯片。在阿斯麦的17家核心供应商中,一半以上来自美国,而拜登政府基于国家安全考虑已要求荷兰政府扣留了阿斯麦对中国出口极紫许可证。与极紫相比,深紫光刻机并不像极紫外光刻机那样依赖美国技术,也不属于最新技术,因此并不在美国制裁之列。据韩国的《商务韩国》(BusinessKorea)披露的数据,目前阿斯麦30%的销售额来自中国,其中大部分是向中芯国际销售深紫光刻设备。

首尔国立大学经济学教授李根说,以上一代的深紫外光刻生产先进的芯片这种创造性的另类思维可能对提振中国半导体前景大有帮助。

中国科学院下属的微电子研究所集成电路先导工艺研发中心网站上的一篇文章说,鉴于DUV涵盖了大部分数字芯片和几乎所有的模拟芯片。所以,“完全掌握DUV技术就能在各类芯片领域有所建树”。

不过在另一方面,这篇文章也指出,随着先进制程向5纳米及以下先进制程进化,EUV必不可少。

在美国的制裁之下,中国无法获得生产最高端芯片的EUV制造设备,也缺乏先进的设计软件,这些大都是由美国公司主导,包括台积电在内制造最先进的芯片也离不开美国技术。中国目前的水平在14纳米,与国际领先水平有2-3代的代差;而韩国的三星电子上星期(6月30日)已宣布开始大规模生产3纳米芯片,成为全球首家量产3纳米芯片的公司。中国目前落后至少十年之久。

战略与国际研究中心的刘易斯说,中国在这方面投入了巨额资金,最终也许会赶上,但不会在近几年内。他说:“如果运气好的话,中国有可能在2030年的时候有能力生产较为高端的芯片。”

夏威夷智库东西方中心资深研究员丹尼·罗伊(Denny Roy)对美国之音说,中国政府拥有庞大的财政资源、从事商业间谍活动的网络黑客大军、无与伦比的全球经济影响力,所以他预计如果北京不遗余力打造本土高端芯片,如果国内也没有出现某种严重的经济或政治动荡的话,“中国最终将获得这种能力。”但是,他说,如果中国以外的大公司能不断保持创新,即使在中国进步的同时,他们也可以一直保持领先。

2022年7月5日 23:30
孙承