“缺芯潮”如何重塑半導體產業
發於2021.6.28總第1001期《中國新聞周刊》
4月中旬，全球最大晶圓代工廠臺積電的臺灣工廠發生停電事故。有研究機構預測，僅停電半天，報廢晶圓損失或超過2000萬美元，壹大批客戶受到影響。6月初，臺灣封測廠京元電子暴發外籍員工群體感染，確診人數超過200人，2000多人停工居家隔離，預計6月產量將減少30％~35％。臺灣疫情向半導體產業的蔓延，讓全球芯片產能雪上加霜。
此前，同樣引發人們憂慮的是臺灣遭遇半個世紀以來最嚴重的幹旱，由於需要清洗廠房與矽片，晶圓代工廠耗水量巨大，為保證其用水，約占臺灣灌溉面積五分之壹的農田停止灌溉。
這足以顯示臺灣晶圓代工產業的地位，美國半導體行業協會甚至提出極端假說稱，如果臺灣半導體代工廠停工壹年，全球電子產業將面臨4900億美元損失。臺積電創始人張忠謀將1987年創辦臺積電與晶體管、摩爾定律等量齊觀，視之為改變半導體產業的創造。臺積電與晶圓代工業務的興起確實深刻改變了半導體產業，使之成為全球化程度最深的產業之壹。
但是這壹輪“缺芯潮”引發了供應鏈安全隱憂。歐美對半導體產業過度集中於日韓、中國臺灣地區表現出了擔憂，提出壹系列刺激計劃吸引芯片產業回流，中國的芯片產業鏈國產化進程也在提速。芯片制造的全球“軍備競賽”已經拉響，半導體產業現有格局或將被重塑。
模式之爭
從各國家、地區半導體產能占比變遷中可以發現，1990年臺灣半導體產能幾近於零，此後壹路擴張至2020年的22％，這是臺積電等晶圓代工廠崛起的結果。
半導體產業有兩種模式，壹種是IDM模式，即芯片設計、制造等環節集於壹家公司，比如英特爾、英飛淩等；另壹種則是代工模式，由臺積電開創，興起於上個世紀90年代，核心是芯片設計公司無須涉足制造、測封等環節，相應誕生了壹批像高通、英偉達、聯發科這樣的無晶圓廠商。由於無須同時承擔設計環節的高研發投入與制造環節的重資產投入，無晶圓廠商的營收增幅往往快於IDM廠商。
盡管IDM廠商在2019年仍擁有全球半導體近七成產能，但在更多應用先進制程、手機SoC（系統級芯片）所屬的邏輯芯片領域，代工模式占據近八成產能，被認為是產業主流。
“IDM模式的弊端之壹便是企業傾向於追求利潤率高的產品，如果將設計與制造環節分開，代工廠無論生產附加值高或低的產品，同樣賺取代工費用，有利於產業生態更為均衡。”復旦大學微電子學院教授、矽典微聯合創始人徐鴻濤博士告訴《中國新聞周刊》，這也是在代工模式下半導體產業得以迅速發展的原因。
但是在這壹輪“缺芯潮”中，IDM企業顯示出供應鏈更為穩定的優勢。中芯國際創始人張汝京就曾表示，在當前階段，下遊制造環節對上遊設計環節的支持十分重要。但是在代工模式下，晶圓代工廠擴張產能往往謹慎，這是全球半導體產能始終處於緊平衡的重要原因。
其實去年以來代工廠擴張產能動作頻仍。3月底，臺積電宣布將在未來3年投資1000億美元增加產能，並且支持高端制程技術的研發，壹改此前“穩健擴產”作風，要以5倍的速度建廠擴產，中芯國際也在壹年之內兩度宣布擴張28nm及以上成熟制程的產能。
盡管如此，多位業內人士告訴《中國新聞周刊》，從擴張產能的規模看，代工廠仍在謹慎行事。這與代工業務的特點有關，在芯片產業鏈的全部資本支出中，制造環節占比高達64％，但增值僅占比24％。“晶圓代工的毛利率並不高，壹旦產能利用率不高，晶圓廠或許就會陷入虧損。”酷芯微電子董事長姚海平告訴《中國新聞周刊》。
壹位晶圓代工廠人士向《中國新聞周刊》解釋，“晶圓代工廠在擴產前，都需要已有工廠的產能利用率達到相當水平，如果已有產線產能利用率只有百分之七八十，再擴產往往意味賠錢，伴隨設備等大量資本投入的折舊壓力就不小。”
相比於晶圓代工廠的謹慎，徐鴻濤註意到，壹些無晶圓廠商反而開始參與建廠，“因為他們更加清楚風險與需求”。
2020年下半年，聯發科就曾花費16.2億元新臺幣購置半導體再租給力積電生產。但最為典型的案例莫過於聯電，聯電今年的資本支出僅為15億美元，盡管如此，相比去年增幅也達50％。其采取與芯片設計公司三星等合作擴張產能的方式，即芯片設計公司出資購買設備，提供給聯電，再讓後者代工芯片。4月底，聯電更是宣布與多家芯片設計公司合作擴充位於臺南的12英寸晶圓廠產能，芯片設計公司以議定價格預先支付訂金的方式，確保取得未來產能的長期保障。
如此壹來，半導體產業長期存在的兩種模式似乎伴隨“缺芯潮”蔓延而變得模糊，無晶圓廠商為了保證產能開始向IDM模式靠攏，而壹些IDM廠商，如英特爾，則在今年宣布啟動代工業務。
今年2月，帕特·蓋爾辛格出任英特爾首席執行官，在其3月下旬的壹次演講中，除了拋出英特爾將投資200億美元新建兩座晶圓廠，預計在 2024 年量產 7nm 或更先進制程的消息外，還宣布了英特爾將重返晶圓代工業務。
這壹消息在當日直接沖擊了臺積電股價，但在近壹個月之後的壹次演講中，臺積電創始人張忠謀回應道，“英特爾要做晶圓代工業務相當諷刺。臺積電 1986 年成立，在 1985 年籌資期間就找英特爾投資，但是英特爾拒絕，雖然當年度的景氣狀況沒有太好，但仍是有壹點看不起的意味。”
“英特爾此前也多次嘗試進入代工業務，我也曾參與類似的項目，當時給Altera公司做代工，我們內部半開玩笑地說，英特爾最終收購Altera就是因為代工產品壹直做出不來，英特爾就幹脆買下這家公司。”壹位曾在英特爾參與多個制程研發的工程師告訴《中國新聞周刊》，英特爾做代工的壹個重要阻力便是缺少服務意識，“很難想象英特爾願意低姿態地陪伴小客戶成長，像臺積電創辦初期的壹些小客戶，如高通，現在也變成了巨頭。但英特爾會挑選客戶，當年蘋果曾找英特爾做代工，就因為訂單量有限被拒絕，如今這被英特爾高層認為是個極其愚蠢的決定。”
同時，技術問題也被他認為是英特爾從事晶圓代工的障礙之壹，“英特爾工廠的工具相對比較封閉，更多生產高附加值芯片如CPU。但比如同樣為28nm制程芯片，不同類別的芯片往往需要不同的工藝，因此英特爾產線能否很好服務於諸如手機芯片、車規芯片等尚存疑問”。
但顯然，英特爾重歸晶圓代工業務並非僅僅是壹家企業看中芯片制造市場，其背後的深意或許可以歸結為蓋爾辛格的壹句話，“美國公司應該將三分之壹的半導體生產放在美國本土進行。”目前，這壹比例僅為12％。
大力刺激半導體回流
蓋爾辛格所言現狀源於代工模式的興起。據波士頓咨詢數據，美國半導體制造業所占市場份額從1990年的37％降低至如今的12％，如果按照目前趨勢發展下去，可能降低至6％，但是相比之下，美國半導體公司占全球芯片銷售額的47％。
研究勞動力市場與經濟政策的智庫Employ America發文回顧美國半導體產業的 歷史 稱，從上世紀80年代起，為了與日本、韓國等國家的半導體公司競爭，美國的半導體政策逐漸轉向鼓勵縮減運營成本、提高公司利潤，忽略了對於半導體供應鏈的構建，使半導體產業圍繞巨頭形成了壹套脆弱的供應鏈。“在去工廠、輕資產的運營理念下，雖然每家半導體公司的資產負債表看起來更加穩健，美國芯片制造的優勢卻已經轉向中國臺灣、韓國等其他地區”。
目前，全球芯片制造75％的產能在東亞地區，而美國正希望芯片制造業回流，但其面臨人才與成本的瓶頸。
張忠謀提到，美國晶圓制造的條件與臺灣地區相較具有絕對優勢，包括水電等資源，但是美國的人才敬業程度和臺灣地區不能比，臺灣地區有大量優秀的工程師、技師、作業員比較願意投入制造業。
前述英特爾工程師也向《中國新聞周刊》解釋，美國芯片制造業不斷流失的壹個原因便是美國的文化體系不太容易產生服務意識。芯片屬於精密加工制造業，與東亞文化圈更為兼容，需要工人有很強的紀律性、服從性，因此當今世界最重要的代工廠都集中在東亞。“即使是英特爾這樣的美國公司，其工廠的管理體系也與其他部門不同，推行軍事化管理”。
美國在成本方面的劣勢更為明顯，在美國建設壹個新芯片工廠的10年總擁有成本大約比亞洲地區高25％~50％，假如要滿足半導體自給自足，美國需進行3500億~4200億美元的前期投資，這壹數字也比中國大陸的1750億~2500億美元要高出不少。
(工作人員在黃色光源工作環境中觀察光刻膠前烘情況。光刻膠又名光阻，是半導體芯片制造工業的核心材料。圖/新華)
美國半導體行業協會今年2月致信美國總統拜登，提到競爭國家均投入巨資吸引半導體制造、研究，美國的缺席導致自身失去競爭力，造成美國在全球半導體制造份額中的降低。美國需要鼓勵建設並更新半導體制造設施，並在研究領域投入。
當地時間6月8日，美國國會參議院通過了《美國創新與競爭法》，其中批準撥款520億美元，在今後5年裏大力促進美國半導體芯片的生產和研究。參議院民主黨領袖舒默曾稱其為“ 歷史 性的520億美元投資，用以確保美國保持芯片生產的領先地位”，並直言，“這項法案將確保美國不再依賴外國芯片加工商。”據路透社報道，其中包括390億美元的生產和研發激勵，以及105億美元的實施計劃，包括國家半導體技術中心、國家先進封裝制造計劃和其他研發計劃，以及 15億美元的應急資金。
美國商務部長吉娜·雷蒙多在芯片廠商美光 科技 出席活動時稱，這520億美元的資金將為芯片生產和研究產生超過1500億美元的投資，當中包括州和聯邦政府以及私營企業的出資，也就是通過聯邦資金釋放更多私人資本，“到完成時，在美國可能有七家、八家、九家、十家新工廠。”她預計，各州將為芯片設施爭奪聯邦資金，而商務部將有透明的資金發放程序。
去年以來，美國國會兩黨議員不斷提出鼓勵美國芯片產業發展的法案，如“2020美國晶圓代工法案”（AFA）、“為芯片生產創造有益的激勵措施法案”（CHIPS）。CHIPS法案還被納入拜登提出的2.3萬億美元基礎設施計劃，於今年早些時候頒布，批準了半導體制造激勵措施和研究計劃，但尚未提供資金，拜登也曾呼籲撥款500億美元，促進半導體生產和研究。
此前，蘋果、亞馬遜、谷歌、微軟等 科技 巨頭聯手包括英特爾、高通、臺積電等在內的芯片產業鏈企業，組建了壹個遊說團體——美國半導體聯盟（SIAC），目標便是向美國政府施壓，要求美國國會為CHIPS法案提供500億美元資金。
臺積電、三星等均已計劃在美國擴建芯片廠的情況下，壹場對於政府補貼政策的爭奪已然展開。早在去年5月，臺積電便宣布將在美國亞利桑那州投資120億美元新建12英寸廠，預計將在2024年建成投產，初期月產能為2萬片5nm芯片，而這壹計劃的投資與產能規模在今年被多次曝出仍在擴大。
在向美國得州政府提交的文件中，三星也披露了其赴美建廠計劃的具體細節：計劃耗資170億美元，10年內在當地創造約1800個就業機會，位於奧斯汀，面積700萬平方英尺。三星還提醒說，該項目“競爭激烈”，美國亞利桑那州鳳凰城、紐約北部的Genesee縣及韓國替代地點都是奧斯汀的潛在競爭者。如果落戶奧斯汀，將在今年二季度破土動工，預計在2023年第三、第四季度投入運營，傳聞將用於生產先進的3nm制程。三星明確要求在20年內，得州特拉維斯縣和奧斯汀市對三星芯片廠的稅收減免將達約14.8億美元，高於先前提到的8.055億美元。
談及美國積極復興半導體制造產業，張忠謀認為，美國做事永遠是“胡蘿蔔與棒子”壹起，補貼只不過短期幾年而已，不能彌補長期的競爭劣勢，過了補貼政策的那幾年，還是要看實力。
供應鏈安全被打破
持續增長的旺盛需求正在拉長半導體的景氣周期。不只是美國，韓國、日本、歐洲等國家或地區都在吸引半導體制造回流。日本政府已經承諾擴大現有約2000億日元的基金規模，支持國內的芯片制造行業。韓國政府業宣布為本土芯片產業提供1萬億韓元長期貸款，擴張8英寸晶圓廠產能，並增加材料和封裝投資。歐盟提出的“2030數字指南”計劃的目標之壹便是到2030年，歐洲半導體生產至少占據全球產值的20％。
伴隨分工模式興起，半導體產業曾被視為全球化程度最深的產業之壹，基於2019年的數據，在對整個產業附加值的貢獻中，有6個國家和地區（美國、韓國、日本、中國大陸、中國臺灣和歐洲）的貢獻度都至少達到8％。但經歷這壹輪“缺芯潮”，出於維護供應鏈安全的考量，半導體產業正在向本地收縮，中國也不例外。
波士頓咨詢曾作出預測，假設在每個地區建設完全自給自足的本地供應鏈，將需要9000億~1.225萬億美元的增量前期投資，並導致半導體價格整體上漲35％~65％，最終導致消費者電子設備成本上升。
“趨勢已經很明顯，這在日本廠商的產品中得到充分體現，拆開日本的電子產品，會發現其使用的芯片基本上都來自日本，未來各地也會遵循這樣的趨勢，簡單說就是在哪裏設計，就要在哪裏生產。”上海壹家芯片設計公司CEO劉東（化名）告訴《中國新聞周刊》。
中國半導體行業協會副理事長、中國半導體行業協會集成電路分會理事長葉甜春認為，美國、歐盟強化本土產業鏈，缺芯固然是壹項因素，但根本原因是對供應鏈安全的壹種擔心。芯片產業鏈全球化發展的地域分工，導致有些地區的工業空心化，現在各地希望在本地建立壹個至少能夠維持最小可行制造能力的產業體系。
但在他看來，歐美要建設本土晶圓制造業是很困難的，這是壹個成本、供應鏈體系和產業生態的問題。首先供應鏈企業要跟過去，把供應鏈重建起來，經濟代價和後續的運維成本會非常高昂；其次，發展制造業需要人才資源作為支撐，歐美高校的人才體量能否支撐制造產業的重建，也值得考量。“繼續創新”或許是歐美發展制造業的壹條路徑，但通常意義上的產業回流是很難操作的。
對於中國當下的芯片產業前景，葉甜春在接受《中國電子報》采訪時指出，國內集成電路存在“卡脖子”問題，在部分領域顯得被動，但是跟10年前近乎“休克”的狀態相比，是完全不壹樣的。但他擔心的是，眼前的問題得到緩解之後，對後續的布局缺乏緊迫感，耽誤兩年然後發現“卡脖子”這個問題始終存在。
他的建議是，對中國而言，首先是確保供應鏈的安全，28nm以上的供應鏈要實現絕對安全，14nm、7nm的技術短板也要盡快補齊。此外還要鍛造長板，真正擺脫“受制於人”需要掌握足夠的反制手段。要把握好全球化分工與供應鏈產業鏈自主可控的“度”。
國產替代如何加速
劉東註意到，其實從去年開始，國內的芯片廠商，包括壹些終端產品廠商，已經在將供應鏈逐步從境外轉移至中國大陸，當時主要是受到華為被制裁事件的沖擊，隨著這壹輪“缺芯潮”爆發，這壹趨勢將更加明顯。
深迪半導體今年為國內壹家壹線手機廠商供應六軸IMU慣性傳感器芯片，深迪半導體公***關系負責人黃杜告訴《中國新聞周刊》，從2019年第壹次送樣，經歷兩年的測試才最終談成，“對於手機廠商更換壹款芯片的成本並不小，因此壹旦習慣於采購外國廠商的芯片就沒有動力冒風險更換。”
而多位國內手機廠的供應商向《中國新聞周刊》證實，在消費電子領域，國內終端廠商今年都在轉移產業鏈，“能用國產替代的都盡可能使用國產替代，就算國內供應商無法做主力供應商，也會讓其作為輔助供應商。”
徐鴻濤甚至認為，這次“缺芯潮”的壹個原因便是國產替代導致代工廠新產品導入規模增長，“比如原來壹家代工廠的產能分配中，量產與新產品導入的比例可能是8:2，但隨著新產品導入的需求增加，就擠占了量產部分的比例分配，其中部分原因便是國產替代和產能緊張導致開辟新供應商需求的加劇，壹款新產品都要經歷漫長新產品導入才能量產。”
不僅是終端廠商在更多啟用國內芯片廠商的芯片，壹些國內的無晶圓廠商也開始將產能向中國大陸轉移。
對於劉東的公司而言，與其合作的代工廠遍布中國大陸和臺灣，韓國、美國。“只是每家投產多少不壹，壹方面是要為特定種類的芯片尋找更適合的工藝，另壹方面也是為了規避風險。但是壹旦產能全球性緊缺，即使產能再分散，風險也難以回避。”劉東反問，“這壹輪‘缺芯潮’中，已經可以看到地方保護色彩加重，比如壹家韓國代工廠，面對壹位韓國客戶與中國客戶的需求時，他會怎麽選擇？”
壹家三星投資的芯片設計公司負責人告訴《中國新聞周刊》，正是由於三星背書，其產能幾乎未受影響，反而擴張產能爭搶到產能緊缺的競爭對手的訂單。
用劉東的話來說，“大家都變得不那麽有操守”。這在壹定程度上也源於政府的幹預，前述剛剛成立的SIAC便在公開信中稱，“當行業努力糾正短缺造成的供需失衡時，政府應該避免幹預。”外界認為這暗指美國政府此前施壓包括臺積電在內的代工廠保證 汽車 芯片產能。
有中芯國際人士告訴《中國新聞周刊》，中芯國際在分配產能時會從終端應用的角度考慮，也就是如果某款芯片缺失，會不會影響普通人生活，甚至國民經濟，“會仔細甄別企業的產能需求，依企業真實需求而定，也不會多給企業產能。”
多位業內人士都感慨，在這壹輪“缺芯潮”中更能看到中芯國際的意義。“如果產能在國內，遇到疫情這樣的極端情況，至少還能見面溝通，但如果投產在韓國、中國臺灣的代工廠，連見面協調的可能都沒有。”壹位芯片廠商負責人透露，從去年開始，公司就在將產能從境外逐步轉移至中國大陸，目前已接近壹半，甚至直接邀請壹家國內代工企業入股，“也是為了未來更順暢地轉移產能”。
這樣的產能轉移不止發生在某壹家公司身上，姚海平也坦言，公司會將中芯國際14nm、12nm制程作為主打的平臺，“14nm以下先進制程代工其實可選余地並不多，無非是三星、臺積電、中芯國際等幾家。現在中芯國際的先進工藝的產能利用率還不高，所以今年其擴張產能集中在28nm等成熟制程，因為其先進制程工藝剛剛開發出來不久，國內的設計公司做出針對的設計需要時間，估計在明年年中中芯國際先進制程產能也會變得非常飽滿。”
中國缺少的不僅是先進制程的產能，其實，目前市場上20nm以上工藝節點產能占據了82％，更多的芯片產品依賴成熟制程產能。
“國內除了中芯國際和華虹，形成量產能力的也就是華潤上華，但每月8英寸晶圓的產能可能只有兩三萬片，確實太少，可能都無法支撐大壹點的客戶。新的代工廠產能完全跟不上，特別是目前壹些產品需要特定工藝，比如BCD高壓，其實只有中芯國際、華虹、華潤上華這三家公司有技術準備，再無其他選擇，這就是目前的現狀。”前述中芯國際人士告訴《中國新聞周刊》。
黃杜提到，“前壹段時間政府征求對行業支持政策的意見建議，我們提出除了鼓勵主要以線寬制程為標準的先進標準工藝，也要支持不依賴於線寬的MEMS特色工藝，MEMS慣性傳感器芯片在人工智能物聯網時代將會獲得越來越廣泛的應用。”
MEMS工藝是芯片制造的壹種特殊工藝，被廣泛應用於慣性傳感器芯片制造，而慣性傳感器芯片已經進入每壹部智能手機，手機橫屏與豎屏視角的轉換便依賴這顆芯片實現。
“如今各地晶圓廠爛尾的情況已經讓政府感到擔憂，但總體而言，大陸的產能仍然很短缺。”有晶圓廠商負責人告訴《中國新聞周刊》，“幾年前公司原本計劃投資建設晶圓廠，計劃投資50億元，年產能為1萬片8英寸晶圓，但之後項目夭折，原因便是地方政府不再支持。” “當時項目遇到國家收緊半導體投資，地方政府對於項目獲得國家資金支持沒有信心，就需要地方承擔大部分資金壓力。”這位負責人說，工廠從開工到“投片”需要3年時間，而根據當時的測算，8年才能回本，這段時間對於地方政府來講過於漫長。
當下，政府對於晶圓廠的支持無疑舉足輕重，中芯國際創始人張汝京在總結項目能夠獲得成功的條件時就說到，要有政府支持，中央政府通常是在政策和稅務上的支持，地方政府通常是給予土地和項目獎勵等支持，為了引進壹些新項目，需要各級地方政府制定壹些準入的指導。
他向《中國新聞周刊》建議說，通過國家發改委窗口指導，壹定程度上避免錯誤的投資導致的國家財產和資金的損失的考量下，可以積極推動國家需要的這類半導體公司。但是如果管控過於嚴苛，也可能會把這個產業的發展遏制住，減緩國家集成電路與半導體產業的發展。“投資金額小於10億元以下的，按現有方式進行備案；對於政府投資金額低於某壹數位的，如50億元以下的，由省市相關發改委窗口指導；金額更大的由上壹級的發改委管控。至於民企或外資為主的，因為政府擔的風險較小，可適度放寬指導窗口。”
在葉甜春看來，此前多地都爆出芯片制造的“爛尾”工程，是因為個別項目在市場定位、技術研發、團隊配置等方面沒有做好準備，倉促上馬。對於做好準備的項目，該上馬還是要上馬。
他指出，據不完全統計，國內邏輯IC存在40萬片12英寸的月產能缺口，存儲器至少缺20萬~30萬片月產能。保守估計，月產能缺口在60萬~70萬片。整體產能缺口這麽大的時候，應該更大規模、更有效率地擴產。“中國貌似缺乏最新的技術和產品，但是全球80％以上的產品用不到最尖端制程，14納米以上制程能覆蓋絕大部分需求——雖然市場份額可能只有百分之六七十，但這上面有大量文章可做。”