逆勢(shì)改運(yùn)？ 美歐的頂級(jí)晶圓制造之夢(mèng)
發(fā)布人：傳感器技術(shù)
時(shí)間：2021-03-21
來源：工程師
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現(xiàn)今的美歐依然是半導(dǎo)體世界的超級(jí)存在，但是缺失了最尖端芯片的制造能力，就意味著逐漸遠(yuǎn)離未來。不過，現(xiàn)在的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局已經(jīng)是多方博弈下的演變成果，強(qiáng)行改勢(shì)，機(jī)會(huì)寥寥。
作者｜李延 校對(duì)｜Andrew
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集微網(wǎng)消息，曾幾何時(shí)，汽車行業(yè)是美國(guó)的驕傲，通用、福特和克萊斯勒位列全球汽車的三甲。隨著1980年日本四大汽車公司進(jìn)入美國(guó)，形勢(shì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。當(dāng)年，日本汽車業(yè)用1100萬(wàn)的產(chǎn)量，將美國(guó)趕下了王座。隨之而來的就是美國(guó)汽車業(yè)的大衰退，工廠倒閉潮到來，工人大量失業(yè)。汽車之都底特律繁華不再，市民失業(yè)率達(dá)到了20%。
歷史就是喜歡相似的故事。進(jìn)入21世紀(jì)以后，美國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)也在漸漸消退，一方面是美國(guó)本土晶圓廠在工藝技術(shù)方面已經(jīng)落后于臺(tái)積電等亞洲對(duì)手，另一方面，美國(guó)新建晶圓廠數(shù)量和產(chǎn)能也在急劇下降。
在大西洋對(duì)岸，歐洲半導(dǎo)體行業(yè)也是隱患重重。在價(jià)值5280億美元的全球半導(dǎo)體市場(chǎng)中，來自歐盟的份額大約為10%。全歐洲半導(dǎo)體制造產(chǎn)能在全球市場(chǎng)中只占到9%，全球十大晶圓廠的名單中，更是難覓歐洲廠商的身影。
半導(dǎo)體制造業(yè)的空心化，讓美歐如鯁在喉，貿(mào)易局勢(shì)的緊張和芯片越來越重要的戰(zhàn)略地位，更加重了這種焦慮感。
為了扭轉(zhuǎn)局面，美歐政府在產(chǎn)業(yè)人士的呼吁下，終于開始出手了。美國(guó)政府將在今年為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供370億美元的補(bǔ)貼，歐洲委員會(huì)則在“2030數(shù)字羅盤”計(jì)劃中提出要將半導(dǎo)體生產(chǎn)總值在2030年提升到全球生產(chǎn)總值的20%，并具備2nm晶圓的制造能力。
這些雄心勃勃的計(jì)劃都是希望建立一個(gè)獨(dú)立的地區(qū)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)，避免過渡依賴進(jìn)口造成的危機(jī)。但不管初衷如何，實(shí)質(zhì)上是開啟一輪新的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)軍備競(jìng)賽。
在半導(dǎo)體行業(yè)并不漫長(zhǎng)的歷史上，軍備競(jìng)賽和對(duì)抗已經(jīng)上演過數(shù)回。最著名的就是美日之間的DRAM之爭(zhēng)。日本采用了集體攻關(guān)的模式取得技術(shù)突破，將美國(guó)的半導(dǎo)體巨頭們打得滿地找牙。最后依靠美國(guó)政府親自出面，逼日本簽訂城下之盟，美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)才重獲生機(jī)。
現(xiàn)今的美歐依然是半導(dǎo)體世界的超級(jí)存在，但是缺失了最尖端芯片的制造能力，就意味著逐漸遠(yuǎn)離未來。不過，現(xiàn)在的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局已經(jīng)是多方博弈下的演變成果，強(qiáng)行改勢(shì)，機(jī)會(huì)寥寥。
冰凍三尺非一日之寒
整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)存在著贏者通吃的局面，細(xì)分領(lǐng)域的領(lǐng)先者都占據(jù)著絕大部分利潤(rùn)，后來者要實(shí)現(xiàn)趕超絕非易事。因此，各大細(xì)分市場(chǎng)都會(huì)由幾家企業(yè)所主導(dǎo)，這就使得整個(gè)價(jià)值鏈條不可能被一個(gè)地區(qū)（國(guó)家）所完全掌握。換句話說，沒有一個(gè)地區(qū)（國(guó)家）具備完全的端到端的設(shè)計(jì)和制造能力。圖 全球半導(dǎo)體價(jià)值鏈分布（重點(diǎn)企業(yè)數(shù)量）
從麥肯錫咨詢的這張圖表就可以看出，即使是實(shí)力最強(qiáng)的美國(guó)，也無法實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的覆蓋。
很難用一個(gè)理論完全解釋這種格局形成的機(jī)制，最顯而易見的原因就是專業(yè)化的分工，這也是驅(qū)動(dòng)全球化和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的一大動(dòng)因。當(dāng)然，高度專業(yè)分工也會(huì)讓半導(dǎo)體企業(yè)之間形成很高的依賴度，一旦供應(yīng)鏈的一環(huán)受到干擾，生產(chǎn)瓶頸就出現(xiàn)了。
半導(dǎo)體行業(yè)起源于美國(guó)，經(jīng)過三次大遷移，經(jīng)由日本再到中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、韓國(guó)，最后到中國(guó)大陸。商業(yè)模式也由垂直整合到到系統(tǒng)化集成，再到垂直分工，最終形成設(shè)計(jì)（Fabless）、 制造（Foundry）、 封測(cè)（OSAT）三大環(huán)節(jié)。
整個(gè)遷移過程中，各地區(qū)都盡力將最具價(jià)值的企業(yè)留住，以形成自身的競(jìng)爭(zhēng)力，因此也孕育了眾多的產(chǎn)業(yè)巨頭。
很關(guān)鍵的一點(diǎn)就是，2000年左右興起了無晶圓廠模式，這讓整個(gè)產(chǎn)業(yè)更加繁榮，也讓很多廠商不再有能力開發(fā)新的晶圓廠和工藝。一些廠商最終選擇了fab-lite模式，既在自己的工廠生產(chǎn)芯片，同時(shí)又將其他設(shè)備外包給代工廠，還有部分廠商完全退出了晶圓制造業(yè)務(wù)。
制程工藝的持續(xù)進(jìn)展，讓晶圓代工廠的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯。幾個(gè)亞洲國(guó)家又通過減稅和激勵(lì)來支持國(guó)內(nèi)芯片公司，進(jìn)而推動(dòng)了亞洲地區(qū)晶圓廠的****展。美國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）和波士頓咨詢集團(tuán)（BCG）的文件稱：“政府政策一直是亞洲半導(dǎo)體強(qiáng)勁增長(zhǎng)的主要因素。”
反觀美國(guó)，聯(lián)邦政府在半導(dǎo)體研究方面的投資沒有持續(xù)增加，目前僅占美國(guó)半導(dǎo)體公司研發(fā)投資的一小部分。美國(guó)廠商也在建立新的晶圓廠，但速度遠(yuǎn)低于亞洲競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
截止2020年，美洲地區(qū)總共有76個(gè)晶圓廠，而2010年為81個(gè)，這還包括了三星，恩智浦，英飛凌，X-Fab，Tower，臺(tái)積電和博通等非美國(guó)公司的晶圓廠。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)在全球已安裝晶圓廠產(chǎn)能中的份額已從1990年的37％下降到2020年的12％。在同一時(shí)期，亞洲的新晶圓廠發(fā)展迅猛增長(zhǎng)，目前已占到全球產(chǎn)能的80％。
美國(guó)仍有能力設(shè)計(jì)最頂尖的芯片，卻無法在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，臺(tái)積電和三星已經(jīng)成為美國(guó)芯片公司不可或缺的生產(chǎn)基地。
歐洲的境況看起來更加糟糕。盡管英飛凌、ST和NXP三大巨頭在工業(yè)和汽車領(lǐng)域有很大的優(yōu)勢(shì)，但其只對(duì)fab-lite模式以及生產(chǎn)傳統(tǒng)或小批量利基產(chǎn)品有興趣。進(jìn)入21世紀(jì)的頭20年來，歐洲沒有一家工藝領(lǐng)先的晶圓廠投入運(yùn)營(yíng)。
美國(guó)和歐洲都希望能改變這種局面，紛紛向亞洲廠商遞來橄欖枝。美國(guó)行動(dòng)較早，產(chǎn)業(yè)環(huán)境更為優(yōu)厚，已經(jīng)取得一些進(jìn)展，如臺(tái)積電計(jì)劃在亞利桑那州建立5nm晶圓廠，三星則在德克薩斯開始3nm芯片的生產(chǎn)。
嬌貴的晶圓廠
進(jìn)入2021年，史無前例的芯片大缺貨席卷了全球，汽車產(chǎn)業(yè)受傷害最深。這讓所有想發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的國(guó)家都意識(shí)到，擁有晶圓廠是多么重要。
不過，在專業(yè)人士看來，建立頂尖的晶圓廠就有如登月工程般困難。一個(gè)晶圓廠的背后有34個(gè)國(guó)家的參與，包括提供光刻設(shè)備、蝕刻和清潔工具、鍍膜設(shè)備和生產(chǎn)制造裝置等。如此龐大精密的鏈條在運(yùn)轉(zhuǎn)，說明晶圓廠的建造成本是如何的昂貴。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建造和裝配一個(gè)擁有5nm生產(chǎn)線的晶圓廠大約需要54億美元，差不多是10nm工廠的3倍。
與之相匹配的是，芯片研發(fā)的成本也水漲船高。從驗(yàn)證到IP選型，設(shè)計(jì)一款5納米芯片的全過程成本約為5.4億美元，即便是設(shè)計(jì)一款7納米芯片，也只需3億美元。因此，能夠承受這筆費(fèi)用的最終用戶——芯片設(shè)計(jì)公司，都已經(jīng)是珍稀動(dòng)物了。
所以，用巨資建造一個(gè)具備先進(jìn)工藝的晶圓廠，投資風(fēng)險(xiǎn)是十分巨大的，尤其是投資回報(bào)周期容易過長(zhǎng)。通常情況下，建造和裝配一座晶圓廠大約需要12~24個(gè)月，要想達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行還需要額外的12~18個(gè)月。如果需求低于預(yù)期，或是成本超出預(yù)期，回報(bào)就會(huì)遠(yuǎn)低于預(yù)期。
而且，在美國(guó)和歐洲建造晶圓廠，遠(yuǎn)比在亞洲地區(qū)更燒錢。據(jù)報(bào)道，臺(tái)積電在美國(guó)建廠的基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用就要達(dá)到原來的6倍之多，因?yàn)槊绹?guó)工人的用工成本要高出三成。
在如此高昂的成本壓力之下，晶圓廠實(shí)現(xiàn)盈利的時(shí)間點(diǎn)就非常關(guān)鍵了。有人做出測(cè)算，如果晶圓廠滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，其現(xiàn)金流有望在5年內(nèi)轉(zhuǎn)正。如果產(chǎn)能利用率低于55%時(shí)，即使有政府的高額補(bǔ)貼，企業(yè)也只有在10年左右才能看到投資回報(bào)。
簡(jiǎn)單總結(jié)起來，就是要有足夠的產(chǎn)能需求才能轉(zhuǎn)動(dòng)晶圓廠。在美國(guó)大陸上，有蘋果、英偉達(dá)、高通、AMD等一眾芯片巨擘，還有正在自研芯片的道路上越走越快的亞馬遜、谷歌、微軟等科技巨人，填充產(chǎn)能看似不存在很大問題。
歐洲地區(qū)的情況則沒有這么樂觀。近年來，歐洲的信息產(chǎn)業(yè)在全球市場(chǎng)中持續(xù)萎縮，這種狀態(tài)影響到了歐洲半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。英飛凌CEO Reinhard Ploss就曾表示，歐洲的科技產(chǎn)業(yè)規(guī)模不夠大，不值得讓芯片生產(chǎn)本地化。即使資金被用來在歐盟境內(nèi)興建晶圓制造廠，它們的最大客戶仍然是外國(guó)科技巨頭，在這種情況下，生產(chǎn)本土化于事無補(bǔ)。
在歐洲所剩的需要持續(xù)供應(yīng)芯片的可觀行業(yè)中，汽車行業(yè)是目前看來最有前途的。配備先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛功能的高性能芯片不斷進(jìn)入汽車，大眾、寶馬，標(biāo)致和博世都進(jìn)入了這條賽道。但是，頂尖汽車芯片的市場(chǎng)依然是美國(guó)廠商的天下，歐洲本土廠商要支撐起一個(gè)頂尖的晶圓廠還是非常吃力的。
好在歐洲有非常雄厚的制造業(yè)基礎(chǔ)，從精密機(jī)械、光學(xué)到電力電子，可以撐起一個(gè)晶圓廠所需的精密產(chǎn)業(yè)鏈條。相比于美國(guó)的制造業(yè)，其還是更具有優(yōu)勢(shì)的。
更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)
建立頂級(jí)的晶圓廠都只是美國(guó)和歐洲要重建半導(dǎo)體生態(tài)的一步，更多的挑戰(zhàn)還在后面。
一位歐洲的觀察者就表示，“不久前，我們還是移動(dòng)電話的領(lǐng)導(dǎo)者，諾基亞和愛立信手機(jī)統(tǒng)治著市場(chǎng)，而失去市場(chǎng)比獲得市場(chǎng)要快得多?！?br />他認(rèn)為最需要關(guān)注的不是技術(shù)，而是改變資本成本和商業(yè)環(huán)境。如果能夠做到，各家公司將改變他們的行動(dòng)，更多的初創(chuàng)公司將形成。半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)會(huì)效仿，但就目前來看，兩三年內(nèi)是沒有機(jī)會(huì)的，可能需要二三十年的時(shí)間。
業(yè)內(nèi)資深投資專家陳凱（化名）也持相似的觀點(diǎn)。在他看來，發(fā)展半導(dǎo)體最關(guān)鍵的就是人才、資本、產(chǎn)業(yè)鏈這幾個(gè)要素，而這些都是美國(guó)和歐洲所不具備的。
“晶圓制造需要大量的工程師，這在美國(guó)真的很難找，美國(guó)的半導(dǎo)體公司已經(jīng)把能找到的人才都招走了，歐洲的情況也類似。”陳凱認(rèn)為美國(guó)和歐洲都面臨人才荒。
過去的本土人才培養(yǎng)放緩和人才流失已經(jīng)讓美國(guó)和歐洲嘗到了苦果。由于新鮮血液的注入緩慢，一些美國(guó)和歐洲公司的員工平均年齡已經(jīng)明顯大于亞洲國(guó)家公司的員工年齡。
在資本層面上，美國(guó)和歐洲也沒有了適合半導(dǎo)體行業(yè)成長(zhǎng)的土壤。陳凱表示：“光靠政府補(bǔ)貼能有多大作用。在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條上，從VC開始到成長(zhǎng)期都要有資本去推動(dòng)，這在美國(guó)根本不具備。美國(guó)有些做硬件的公司很快就上市了，就是因?yàn)槌砷L(zhǎng)期不好投，只能匆匆上市。而且，他們需要的資金量比我們還大，又沒有這些專門的投資人去干這個(gè)事。”
“歐洲的情況那就更嚴(yán)重了，像我們這種專門投半導(dǎo)體的投資人在歐洲就沒法生存?！彼a(bǔ)充道。無論是硅谷還是歐洲，投資人遠(yuǎn)離半導(dǎo)體已久，重新聚焦尚需時(shí)日。
至于新出現(xiàn)的AI、云計(jì)算、5G等產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)，大公司都在跟進(jìn)，留給Startup（初創(chuàng)公司）的空間并不多。于是，美國(guó)本土已經(jīng)很久沒有出現(xiàn)讓人眼前一亮的半導(dǎo)體初創(chuàng)公司，歐洲大陸上，新進(jìn)升級(jí)為獨(dú)角獸的半導(dǎo)體公司也只有一家。很難想象，這種產(chǎn)業(yè)環(huán)境下如何重塑一個(gè)完整的半導(dǎo)體生態(tài)。
當(dāng)然，最大的問題還是美國(guó)和歐洲都沒有亞洲這樣龐大又有活力的市場(chǎng)，遠(yuǎn)離了市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，半導(dǎo)體行業(yè)就會(huì)變成無源之水。
全世界用了幾十年才建立了一個(gè)無摩擦的全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈，如今美國(guó)、歐洲或其他地區(qū)自建生態(tài)的做法，實(shí)際上都在破壞這個(gè)鏈條。對(duì)此，業(yè)內(nèi)知名專家莫大康就表示：“在地域政治下出現(xiàn)逆全球化是可能的，美國(guó)開創(chuàng)了一個(gè)不好的先例，因此各國(guó)都要保護(hù)自已，增大半導(dǎo)體自主能力。但是這樣做的效果不會(huì)都好，由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)沒有全球化協(xié)作是很難成功，或者說要費(fèi)更多的人力物力。所以，我的看法是世界最終會(huì)走向全球合作時(shí)代，時(shí)起時(shí)伏難避免?！?/strong>
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