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

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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。”