“真金白銀”砸出來的美國半導(dǎo)體

隨著近幾年我國加大了對半導(dǎo)體的投資和補(bǔ)貼，并取得了一些不錯的成就，美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會的緊迫感襲來。尤其是近幾年美國政府在半導(dǎo)體上的研究投入一直在下降，自1980年代中期以來，聯(lián)邦用于研發(fā)的資金占國內(nèi)生產(chǎn)總值的百分比下降了約一半。

如果投資不足的情況持續(xù)下去，美國擔(dān)心可能會失去其創(chuàng)新優(yōu)勢和全球技術(shù)領(lǐng)先地位的競爭，加之疫情所顯露出來的對亞洲工廠的依賴。于是SIA開始呼吁美國政府向半導(dǎo)體投入370億美元，欲以巨額補(bǔ)貼提升產(chǎn)業(yè)，吸引半導(dǎo)體公司回流美國。不過，西方上百年積累起來的工業(yè)體系，無疑是“真金白銀”堆起來的。

政府投入（占總份額）圖源：SIA

370億美元穩(wěn)固半導(dǎo)體江山

據(jù)《華爾街日報》報道，美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正加緊游說美國政府和國會加大對半導(dǎo)體的補(bǔ)貼和投入。行業(yè)團(tuán)體半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(Semiconductor Industry Association, 簡稱SIA)提出的370億美元提案中，包括為建設(shè)一家新的芯片工廠提供補(bǔ)貼，為尋求吸引半導(dǎo)體投資的各州提供援助，以及增加研發(fā)資金。

美國國務(wù)院的一位發(fā)言人呼應(yīng)了這一支持，稱國務(wù)院正在“與國會和業(yè)界密切合作，以確保半導(dǎo)體行業(yè)的未來仍掌握在美國手中”。

據(jù)SIA估計，到2030年，中國在全球芯片產(chǎn)能中的份額預(yù)計將增加近一倍，達(dá)到28%左右，不過這包括了總部設(shè)在中國的外國公司的芯片產(chǎn)能。英特爾、格芯等一些總部位于美國的公司是世界上最大的芯片制造商，但國外的補(bǔ)貼政策促使它們將生產(chǎn)線轉(zhuǎn)向亞洲、以色列和愛爾蘭，因此這些公司只有12%的芯片是在美國國內(nèi)生產(chǎn)的。

SIA的建議包括為一家新的半導(dǎo)體工廠提供50億美元的聯(lián)邦資金，該工廠將與私營部門合作資助和運(yùn)營。在給美國國防部官員的一封信中，英特爾首席執(zhí)行官Bob Swan在4月提議由英特爾與五角大樓合作建設(shè)和運(yùn)營該工廠。英特爾對此不予置評。

另有150億美元可作為整筆撥款劃給各州，可用于為新的半導(dǎo)體制造設(shè)施發(fā)放激勵款項。據(jù)SIA上述提案草案顯示，余下的170億美元可補(bǔ)充聯(lián)邦研究資金，其中50億美元用于基礎(chǔ)研究，70億美元用于應(yīng)用研究，50億美元用于一個新的技術(shù)中心。

SIA總裁兼首席執(zhí)行官John Neuffer稱：“我們的計劃開支規(guī)模頗為龐大，但若不采取行動，對我們的經(jīng)濟(jì)、國家安全及我們在未來關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位而言，付出的代價將大得多?！?/p>

SIA認(rèn)為，過去，當(dāng)美國在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位面臨挑戰(zhàn)時，它通過合作和協(xié)作走到了今天。美國的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位現(xiàn)在面臨著類似的挑戰(zhàn)，政府、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界必須再次攜手克服這一挑戰(zhàn)。我們今天面臨的障礙與過去不同，因此，這一時刻需要戰(zhàn)略思考和新的解決方案，以實現(xiàn)我們繼續(xù)保持美國半導(dǎo)體領(lǐng)先地位的共同目標(biāo)。

美國政府撐起了早期半導(dǎo)體發(fā)展的半邊天

回看美國半導(dǎo)體的發(fā)展，早期美國政府和軍團(tuán)起到了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

美國信號軍團(tuán)（U.S. Signal Corps）是美國半導(dǎo)體早期發(fā)展的主要資助者，30年來，他們一直在研發(fā)晶體管和半導(dǎo)體，并購買了大部分初始產(chǎn)量。美國軍方為西部電力公司(Western Electric)、通用電氣(General Electric)、雷神(Raytheon)和西瓦尼亞公司(Sylvania)的第一條試驗生產(chǎn)線提供了資金，并建設(shè)了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出需求的產(chǎn)能。從20世紀(jì)50年代末到70年代初，聯(lián)邦政府資助了美國半導(dǎo)體研發(fā)的40%到45%。對半導(dǎo)體的軍事采購使該行業(yè)得以確立規(guī)模，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體價格在1962年至1968年期間大幅下跌，使其更適于商業(yè)用途。

但在低成本資本和受到保護(hù)的國內(nèi)市場的支持下，日本開始進(jìn)入DRAM行業(yè)，導(dǎo)致產(chǎn)能大幅增加，并在第三國市場傾銷產(chǎn)品。在使用相同設(shè)備的質(zhì)量和生產(chǎn)率方面，一些美國公司也落后于日本公司。其結(jié)果就是，到1985年，美國在這一市場的全球份額從大約90%下降到不到10%，英特爾、高級微設(shè)備公司(Advanced Micro Devices)和國家半導(dǎo)體公司(national semiconductor)等生產(chǎn)商都紛紛退出了DRAM業(yè)務(wù)。在DRAM失去市場領(lǐng)導(dǎo)地位被認(rèn)為是美國行業(yè)的重大挫折，尤其是因為大容量存儲設(shè)備是該行業(yè)的工藝技術(shù)驅(qū)動因素。大宗商品DRAM芯片的大規(guī)模生產(chǎn)，證明了對新工藝技術(shù)和晶圓制造設(shè)備的投資是合理的。

隨著日本企業(yè)在全球存儲設(shè)備市場占據(jù)了絕對的份額和技術(shù)領(lǐng)先地位，并迅速增加了產(chǎn)能。人們普遍擔(dān)心，美國半導(dǎo)體行業(yè)的衰落不僅會帶來經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)，還會帶來國家安全風(fēng)險。美國國防特別工作組甚至在1987年警告說，依靠外國供應(yīng)商提供最先進(jìn)的武器芯片是一種“不可接受的情況”，因為這將破壞美國保持技術(shù)優(yōu)勢的軍事戰(zhàn)略。于是大家開始向華盛頓政府尋求幫助，此舉對于扭轉(zhuǎn)市場份額和技術(shù)領(lǐng)先地位的喪失起到了重要作用。

意識到危機(jī)的美國開始采取措施，第一步是加強(qiáng)研究機(jī)構(gòu)的建立，使美國的公司能夠與之合作。1982年，半導(dǎo)體工業(yè)成立了半導(dǎo)體研究公司(SIA的一個獨立分支機(jī)構(gòu))，并為其提供資金，在大學(xué)進(jìn)行硅基研究。兩年后，Ronald Reagan總統(tǒng)簽署了《國家合作研究法案》，該法案改革了美國反壟斷法，以鼓勵聯(lián)合研發(fā)協(xié)會。微電子和計算機(jī)技術(shù)機(jī)構(gòu)(Microelectronics and Computer Technology Corp.)是一家私人出資的行業(yè)財團(tuán)，是為了響應(yīng)日本政府資助的“第五代”研發(fā)計劃而成立的，但被認(rèn)為是失敗的，并在2001年被關(guān)閉。

SEMATECH是第二個也是更成功的聯(lián)盟。在半導(dǎo)體工業(yè)和國防科學(xué)委員會的建議下，在1987年由聯(lián)邦政府和大多數(shù)美國大型芯片公司共同出資成立了SEMATECH，每年投入2億美元的研究項目，加快了基于共同技術(shù)路線圖的半導(dǎo)體制造業(yè)的生產(chǎn)率和創(chuàng)新。SEMATECH公司的成員包括當(dāng)時所有最大的設(shè)備制造商，例如IBM、英特爾、摩托羅拉、德州儀器、惠普和國家半導(dǎo)體公司。英特爾前董事長戈登?摩爾稱該組織在該行業(yè)是獨一無二的，它確保了美國公司將高層人員安排到公私合作關(guān)系中。該聯(lián)盟的戰(zhàn)略是讓SEMATECH專注于制造設(shè)備和工藝，關(guān)鍵加工技術(shù)的主要如光刻、熔爐和注入、等離子體蝕刻和沉積。SIA還協(xié)調(diào)政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界制定指導(dǎo)研究和開發(fā)的路線圖，并監(jiān)督研究的實施。

美國國家研究委員會的一份分析報告發(fā)現(xiàn)，該財團(tuán)“在促進(jìn)半導(dǎo)體行業(yè)有效制造技術(shù)方面發(fā)揮了不可或缺的作用”。SEMATECH公司還幫助設(shè)備行業(yè)開發(fā)出可靠的、標(biāo)準(zhǔn)化的芯片制造工具，尤其是光刻技術(shù)。SEMATECH因減少了其成員的研發(fā)重復(fù)而受到贊揚(yáng)，從而降低了成本并釋放了額外投資的資金。

到1993年，美國半導(dǎo)體工業(yè)在世界半導(dǎo)體市場份額中重新占據(jù)領(lǐng)先地位。SEMATECH的成就很大程度上得益于其管理的靈活性和DARPA(美國國防部高級研究計劃局)提供的持續(xù)支持，以幫助振興美國芯片制造業(yè)。

在此不得不插播一下，DARPA在美國半導(dǎo)體的發(fā)展中扮演了非常重要的角色。幾十年來，DARPA一直堅持一個單一而持久的使命：對國家安全突破性技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵性投資。在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，DARPA組織過對半導(dǎo)體材料砷化鎵的研究、啟動了VLSI計劃、進(jìn)行微波和毫米波集成電路（MIMIC）計劃、與商業(yè)伙伴共同開創(chuàng)了193nm光刻技術(shù)、推動MRAM技術(shù)的發(fā)展、還對RISC-V進(jìn)行過投資等等。從1987年開始，SEMATECH就開始獲得DARPA提供的公共資助，歷時五年，總計5億美元。

此后，國際SEMATECH仍然活躍，并已將其業(yè)務(wù)擴(kuò)展到設(shè)計，材料，測試和包裝技術(shù)。它還為新的300毫米工具的開發(fā)提供資金，并繼續(xù)追求技術(shù)路線圖。美國其他行業(yè)，例如光電和納米技術(shù)，也紛紛效仿SEMATECH的模式。

到20世紀(jì)90年代初，美國半導(dǎo)體公司重新獲得了全球領(lǐng)先地位，盡管在韓國、中國大陸和中國臺灣出現(xiàn)了大量新的競爭對手，但美國半導(dǎo)體公司至今仍是全球最大的半導(dǎo)體生產(chǎn)商。2010年美國公司的銷售額占全球市場的48%。雖然只有一家美國公司仍然是內(nèi)存芯片領(lǐng)域的主要參與者，但美國半導(dǎo)體行業(yè)在微處理器和模擬混合信號產(chǎn)品等利潤豐厚的邏輯設(shè)備市場占據(jù)主導(dǎo)地位。

SEMATECH不僅幫助美國實現(xiàn)了半導(dǎo)體行業(yè)復(fù)興，推動了那個時代的技術(shù)創(chuàng)新。隨著全球市場和供應(yīng)鏈的開放，SEMATECH的努力也導(dǎo)致了我們今天所擁有的無與倫比的增長和創(chuàng)新。

事實上，聯(lián)邦政府一開始就深度介入美國事務(wù)半導(dǎo)體行業(yè)。正如經(jīng)濟(jì)學(xué)家Laura Tyson在1992年所觀察到的那樣：“半導(dǎo)體行業(yè)從未擺脫政府干預(yù)這只看得見的手?！?/p>

為了在有望推動未來經(jīng)濟(jì)增長的關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，并在全球競爭中保持美國的領(lǐng)導(dǎo)地位，美國雄心勃勃地對半導(dǎo)體研究加大投資。聯(lián)邦科學(xué)事業(yè)是美國社會皇冠上的一顆寶石，它產(chǎn)生了無數(shù)的創(chuàng)新，為美國的經(jīng)濟(jì)實力和國家安全做出了貢獻(xiàn)。

過去十年美國半導(dǎo)體企業(yè)的投資

除了政府以外，美國半導(dǎo)體企業(yè)也很注重在研發(fā)上投入巨資，以保持競爭力和技術(shù)領(lǐng)先地位。美國半導(dǎo)體行業(yè)將大約五分之一的收入用于研發(fā)，這是所有行業(yè)中所占比例最高的行業(yè)之一，而且絕大部分研究都是在美國進(jìn)行的。

從1999年到2019年，美國半導(dǎo)體企業(yè)研發(fā)支出的復(fù)合年增長率約為6.6%。無論年度銷售周期如何，美國半導(dǎo)體公司的研發(fā)支出都很高。在過去的十年中，美國半導(dǎo)體企業(yè)在研發(fā)方面的總投資為3,120億美元，2017年約為360億美元，2018年為390億美元，幾乎是全球半導(dǎo)體研發(fā)總投資額的兩倍。2019年，美國半導(dǎo)體企業(yè)在研發(fā)方面的投資總額為398億美元。

圖：美國半導(dǎo)體研發(fā)支出變化趨勢

過去十年間，美國半導(dǎo)體公司（包括無晶圓廠公司）的研發(fā)和資本支出復(fù)合年增長率約為6.2%。2019年，其研發(fā)和資本支出總額為717億美元?？梢钥闯觯诎雽?dǎo)體企業(yè)發(fā)展過程中，每年資本投資和研發(fā)投入所占份額基本是“雷打不動”，不受市場周期性相關(guān)波動的影響。

圖：半導(dǎo)體公司每年資本和研發(fā)投入增長情況

更甚的是，在過去的20年里，美國半導(dǎo)體公司的年度研發(fā)支出占銷售額的百分比已經(jīng)超過了10%。這一比率高于美國其它所有行業(yè)。研發(fā)支出對半導(dǎo)體公司的競爭地位至關(guān)重要，快速的技術(shù)變革要求工藝技術(shù)和設(shè)備能力不斷進(jìn)步。由下圖可以看出，即使在行業(yè)低迷的2001年和2002年美國半導(dǎo)體公司仍致力于技術(shù)投入；2003-2004年的下降并不是因為研發(fā)預(yù)算的削減，而是因為行業(yè)復(fù)蘇強(qiáng)于預(yù)期，收入增長快于預(yù)期；2019年增長的份額是基于整體收入下降，而整體研發(fā)支出增加。

圖：美國半導(dǎo)體公司研發(fā)支出占銷售額比例

值得一提的是，美國半導(dǎo)體每年在資本設(shè)備上的支出占銷售額的比例很高。2019年半導(dǎo)體行業(yè)資本支出總額為319億美元。資本支出從2001-2003年開始下降，原因是1999-2001年期間美國半導(dǎo)體主要的新工廠已完工。2004年出現(xiàn)反彈，2005年，該行業(yè)在資本支出占銷售額的百分比方面處于平衡狀態(tài)。由于全球經(jīng)濟(jì)衰退，資本支出在2009年大幅下降后反彈，2011年達(dá)到238億美元。2018年，資本支出達(dá)到327億美元的歷史最高水平。

圖：美國半導(dǎo)體資本設(shè)備支出

結(jié)語

美國能在半導(dǎo)體領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位，資金是重要的一環(huán)。如今，我國已經(jīng)開始重金搭建半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，半導(dǎo)體發(fā)展的黃金時代已然到來。

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