(408) 844-7100 美国芯片制造业重获优势
半导体工程
2020 年 10 月 26 日
随着贸易紧张局势和国家安全问题不断加剧，美国正在制定新的战略，以防止在半导体制造领域进一步落后于韩国、台湾，甚至中国。
多年来，美国在 GPU 和微处理器等新型芯片产品的开发方面一直处于领先地位。但从芯片制造的角度来看，美国正在两个关键领域失去优势。首先，与台积电和三星等亚洲竞争对手相比，英特尔和美国代工厂在制程技术方面处于落后地位。中国也正在缩小差距。其次，美国的新晶圆厂和产能急剧下降。
美国并非在所有制造环节都落后。但无论是从供应链和经济角度，还是出于安全考虑，芯片制造对于保持技术领先地位都至关重要。
多年来，美国公司一直是开发新芯片产品并在自己的晶圆厂生产这些产品的领先者之一。直到 2011 年，英特尔推出首款 22 纳米 finFET 时，美国公司在工艺技术方面一直处于领先地位，而工艺技术是芯片扩展的关键要素。每一种新工艺都能实现更小更快的设备。
但时过境迁。西门子旗下 Mentor 公司的名誉首席执行官沃利-莱茵斯（Wally Rhines）说："我们在半导体制造领域的领导地位已经丧失很久了。"更重要的是在提供尖端代工服务能力方面的领先地位，这远远超出了制造的范畴"。
这是一个复杂的问题，涉及许多不同的方面。例如，在一个方面，美国在以前的强项--制程技术方面落后了。英特尔作为美国的技术领导者，最近推迟了其新工艺，导致其在这方面进一步落后于台积电和三星。
虽然英特尔公司发誓会解决这个问题并回到正轨，但这对国家安全有影响。对于美国国防部和军事/航空航天公司以及企业竞争力而言，在本土拥有尖端工艺至关重要。"半导体顾问公司（Semiconductor Advisors）总裁罗伯特-梅尔（Robert Maire）在最近的一次演讲中说："你主宰芯片，你就主宰了国防、技术和情报行业。"显然，这与全球主导地位是相辅相成的。美国如此占主导地位的原因之一是我们的技术，而这正是以半导体产业为基础的。
与此同时，芯片制造商在美国新建晶圆厂的速度仍然低于亚洲竞争对手。根据美国半导体行业协会（SIA）和波士顿咨询公司（BCG）的数据，美国在全球晶圆厂装机容量中所占的份额已从1990年的37%下降到2020年的12%。同期，亚洲新晶圆厂的发展如日中天，目前已占全球产能的 80%。
尤其是中国，它的半导体议程雄心勃勃。在 1,500 亿美元资金的支持下，中国正在发展国内集成电路产业，并计划制造更多自己的芯片。更糟糕的是，大中华区（包括中国大陆、香港和台湾）是地缘政治的热点地区，中美贸易战加剧了这一地区的紧张局势，而当今所有领先的工艺技术都在这一地区。任何干扰都会对美国获得领先工艺技术产生重大影响。
美国的政策制定者们认识到有必要建立更多的国内晶圆厂，但这是一项耗资巨大的工程。一座尖端晶圆厂的造价从 100 亿美元到 200 亿美元不等，而且投资回报无法保证。尽管制造业至关重要，但它只是竞争方程式中的一环。美国公司在芯片设计、特种工艺、EDA 工具和工厂设备方面继续保持领先地位。
尽管如此，美国仍在采取各种措施，从各方面增强竞争力。其中包括
- 美国国会提出了一项激励计划，鼓励在美国新建晶圆厂。
- 美国希望筹建一个芯片财团。
- GlobalFoundries 和英特尔正在升级其技术，台积电也计划在美国新建一座尖端工厂。
- 英特尔成立了一个新的商业实体，开发基于芯片的设计。芯片组将芯片集成在一个先进的封装中，正在成为美国保持竞争力的另一种方式。
需要：更多美国晶圆厂
在集成电路行业，各公司在众多不同的市场中竞争。与此同时，各国之间也在多个不同领域展开竞争。以技术领域为例，各国都在争夺 5G、人工智能和量子计算领域的霸主地位。
中国的议程重新点燃了全球半导体行业的竞争。要了解其中的动态，不妨回顾一下历史。
几十年来，集成电路产业一直遵循 摩尔定律，即芯片中的晶体管密度每 18 至 24 个月翻一番。今天的芯片在同一设备中拥有数十亿个微小的晶体管。" Lam Research 公司大学业务主管 Nerissa Draeger 在博客中解释说："晶体管本质上就是一个开关。"场效应晶体管利用电场来控制通道的导电性"。
因此，在过去的半个世纪里，芯片制造商遵循摩尔定律，将更多的功能集成到单个芯片上。这推动了手机、电脑和其他产品的发展。
不过，在半导体工业的早期，技术还很初级。1965 年，戈登-摩尔（Gordon Moore）发表了他的标志性观点，当时的芯片是在 1.25 英寸（30 毫米）晶圆上生产的。当时，建造一座晶圆厂需要花费 100 万美元。
几十年来，大多数芯片制造商都在自己的晶圆厂生产芯片，并逐渐采用更大尺寸的晶圆。通过改用更大尺寸的晶圆，供应商在每个晶圆上生产的芯片数量增加了 2.2 倍，从而降低了制造成本。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，但工厂和工艺成本也随之增加。从 2000 年代开始，芯片制造商从 200mm 晶圆厂迁移到现代化的 300mm 晶圆厂。最初，300 毫米晶圆厂的建设成本为 20 亿美元，而 200 毫米晶圆厂的建设成本为 7 亿至 13 亿美元。
据 IBS 称，2001 年，有 18 家芯片制造商的晶圆厂可以加工 130 纳米芯片，这是当时最先进的工艺。
突然之间，格局发生了变化。当时，亚洲和其他地区出现了几家为外部客户提供芯片制造服务的代工厂商。当时，代工厂技术落后。
不过，代工厂模式还是在 2000 年代兴起。最初，无晶圆厂设计公司拥抱代工厂。根据 SIA 和 BCG 的一篇论文，"半导体行业见证了无晶圆厂模式的崛起"。(作者为 Antonio Varas、Raj Varadarajan、Jimmy Goodrich 和 Falan Yinug）。
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。为此，一些芯片制造商开始采用 "轻工厂 "模式。在这种模式下，厂商在自己的晶圆厂生产部分芯片，同时将其他器件外包给代工厂。一些厂商则转向无晶圆厂或完全退出该行业。
不过，英特尔和其他公司仍保留了自己的晶圆厂，称这给他们带来了竞争优势。
不过，随着时间的推移，制造业的钟摆摇向了亚洲。早期，一些亚洲国家通过税收减免和激励措施支持国内芯片公司。这推动了中国、韩国、台湾和新加坡的芯片制造热潮。根据 SIA 和 BCG 的文件，"政府政策是亚洲强劲增长的主要因素"。
这些投资带来了丰厚的回报。根据 SIA 和 BCG 的数据，台湾在全球晶圆厂产能方面处于领先地位，2020 年将占 22%，其次是韩国（21%）、日本（15%）、中国（15%）、美国（12%）和欧洲（9%）。
不过，中国才是最值得关注的国家。中国正以补贴的形式向国内芯片设计和制造行业投入数十亿美元。根据 SIA 和 BCG 的数据，中国的芯片产能份额将从 2000 年的 3% 猛增至 2020 年的 15%，超过美国。
中国技术落后，但正在积极迎头赶上。" D2S 首席产品官 Leo Pang 说："中国正在新建十几座晶圆厂。"然而，中国仍然面临着许多挑战，包括需要更多半导体制造领域的人才和知识产权，以及需要进一步缩小在领先工艺技术方面的差距"。
在中国不断扩张的同时，美国仍然停滞不前。根据 SEMI 的数据，到 2020 年，美洲地区总共将有 76 座生产晶圆厂，低于 2010 年的 81 座。"这包括来自非美国公司的美国晶圆厂生产能力，如三星、恩智浦、英飞凌、X-Fab、Tower、台积电和博通。 SEMI 的分析师 Christian Dieseldorff 说："这还包括 GlobalFoundries。
Dieseldorff说，如果不包括非美国晶圆厂，美国公司的晶圆厂产能份额将下降到10%。SIA和BCG的数据显示，总体而言，美国的晶圆厂产能占比参差不齐，模拟占30%，逻辑占12%，存储器占5%。
不过，据 SEMI 称，美国仍有一些新的晶圆厂项目正在进行中。这些项目包括
- Cree：碳化硅器件（纽约）
- GlobalFoundries：代工厂（纽约）
- 英特尔：逻辑（俄勒冈州）
- TI：模拟（德州）
- 台积电：晶圆代工厂（亚利桑那州）
展望未来，美国希望为国家安全和供应链目的建造更多的晶圆厂。"SIA 总裁兼首席执行官约翰-诺伊弗（John Neuffer）说："随着全球竞争对手投入巨资吸引先进的半导体制造技术，美国必须加入这场游戏，使我们的国家成为生产这种具有重要战略意义的技术的更具竞争力的地方。"在过去的 30 年里，美国在全球半导体制造业中所占的比例急剧下降，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。在同一时期，联邦政府在半导体研究方面的投资占 GDP 的比例持平，目前仅占美国半导体公司研发投资的一小部分，而 2019 年美国半导体公司的研发投资总额接近 400 亿美元。美国有机会真正扭转局势，促进国内芯片制造和研究，这将加强美国芯片技术和我国的经济、国家安全、供应链弹性，以及应对未来的危机（如大流行病）。"
有一些解决方案，包括美国国会提出的一项法案。该法案名为《为美国生产半导体创造有利激励措施法案》（CHIPS），要求拨款 100 亿美元用于一项新的联邦拨款计划，以鼓励在美国新建工厂。该法案还包括一项投资税收抵免。总计为 220 亿美元的一揽子计划。
但如今，该法案被国会搁置，能否顺利通过尚不清楚。另外，该法案实在是太少太迟了。据美国半导体行业协会（SIA）和BCG称，美国半导体行业要想提高竞争力，需要500亿美元的激励计划，但即使是这个数字也远远不够。
这甚至只能勉强支付几座晶圆厂的费用。例如，在台湾，台积电正在为其 3nm 工艺建造一座 300mm 晶圆厂，标价 195 亿美元。
此外，在美国建设新工厂的成本也比亚洲高。而其他国家提供了更好的激励措施。因此，英特尔在亚利桑那州加紧建设新的 42 号晶圆厂的同时，还计划在爱尔兰和以色列建设新的晶圆厂，因为这些国家有优惠政策。
尽管如此，英特尔和其他公司还是认为，CHIPS 法案是一个良好的开端，需要以某种形式提供激励。" 英特尔公司政策与技术事务组织副总裁格雷格-斯莱特（Greg Slater）说："我们现在在美国的份额为 12%。"未来十年，这一比例可能会下降到 10%以下。当然，除非我们通过政府激励措施扭转这种局面，否则这种情况还会继续下去。
事情并非如此简单。"Semico Research 的分析师 Adrienne Downey 问："美国晶圆厂的产能可以通过补贴实现超过 12% 的增长，但这对行业有利吗？"在过去的 5 到 10 年里，该行业在产能管理方面一直做得很好。内存市场就是一个很好的例子。有效管理产能意味着更稳定的平均售价/收益。过去，有补贴的晶圆厂造成了产能失衡。"
还有其他问题。"目前，业内很少有公司能填补 200 亿美元的晶圆厂。台积电之所以能成功填满晶圆厂，是因为他们拥有数百家客户和数千种产品。Downey 说："仅仅增加产能并不能保证在这个行业中取得成功的地区地位。
无论如何，如果美国不能在半导体制造领域有所作为，将会产生经济后果。"Mentor 的 Rhines 说："这意味着新技术和创新的增长将逐渐转移到美国一直处于领先地位的世界其他地区。"中国最近的风险投资超过了美国，但他们还需要一段时间才能赶上。问题是，如果美国的风险投资减少，即使有联邦补贴抵消，技术创新也将趋于消失。这就意味着终端设备的创新也将渐行渐远。这意味着经济和就业增长将放缓。
工艺竞赛
与此同时，美国芯片制造商在 III-V、模拟和射频等特种工艺方面也保持着自己的优势。美国在 28nm/22nm 及以上的成熟逻辑工艺方面实力雄厚。"Semico 的 Downey 说："美国继续拥有仍在美国制造的成熟产品基础。"在大多数电子设备中，每个尖端芯片至少需要 5-10 个成熟芯片与之配套。Qorvo、ON Semi、NXP、ADI、Broadcom、Skyworks 和 Microchip 等公司都在美国建有工厂。SkyWater 是代工厂通过提供创新选择和帮助开发新解决方案为老工厂注入新活力的典范。
但是，美国在尖端逻辑/铸造工艺方面落后了。事实并非总是如此。多年来，英特尔一直是工艺技术的领导者，但它并不是唯一的竞争者。如前所述，2001 年，有 18 家芯片制造商可以加工领先的 130 纳米芯片。
随着时间的推移，工艺成本不断攀升，有能力开发先进节点尖端技术的企业越来越少。
重大变革发生在 20 纳米时，当时传统的平面晶体管遇到了瓶颈。作为回应，英特尔于 2011 年在 22 纳米转用下一代 finFET 晶体管。晶圆代工厂在 16 纳米/14 纳米时转用 finFET。(英特尔的 22 纳米相当于代工厂的 16 纳米/14 纳米）。
FinFET 以更低的功耗提供更高的性能，但其制造难度和成本也更高。" TEL America 副总裁兼副总经理 Ben Rathsack 说："这是由于制造这种器件所需的加工步骤较多。
FinFET 还缩小了制造基础。只有六家晶圆代工厂/集成电路制造厂拥有足够的资源在 16nm/14nm 制程下转向 finFET。这些厂商包括 GlobalFoundries、英特尔、三星、台积电和联电。中国的中芯国际最近进入了 14 纳米 finFET 市场。
与此同时，2016 年，英特尔希望通过推出 10 纳米 finFET 工艺，扩大其在逻辑技术领域的领先优势。但由于各种问题，英特尔两次推迟了 10nm 工艺的推出时间，最终于 2019 年出货了基于该技术的处理器--比预期晚了大约两年。
在英特尔 10 纳米延期之际，台积电于 2018 年初出货了全球首款 7 纳米 finFET 工艺，在技术上超越了英特尔。随后，三星也推出了 7 纳米工艺。(英特尔的 10nm 工艺大致相当于代工厂的 7nm 工艺）。
这一点很重要，原因有几个。英特尔是代工业务的小玩家，与台积电并不完全竞争。但是，台积电为英特尔的竞争对手（如 AMD 和 Nvidia）提供代工服务。因此，英特尔的竞争对手突然在工艺技术上占了上风。
还有其他一些变化。2018 年，GlobalFoundries 和联电停止了各自的 7nm 工作。开发 7nm 需要巨额投资，但两家供应商都表示回报率值得怀疑。两家公司仍活跃在 16nm/14nm 及以上制程。
尽管如此，7 纳米制程的大洗牌还是将 10 纳米/7 纳米制程的生产基地缩小到了英特尔、三星和台积电三家公司。但随后，格局又发生了变化。
2020 年初，台积电和三星开始生产 5 纳米产品。与此同时，英特尔推迟了 7 纳米制程，使其进一步落后于两个竞争对手。中芯国际也在开发类似 7 纳米的工艺，但目前仍处于研发阶段。最近，中芯国际从中国知识产权提供商创毅视讯（Innosilicon）获得了其 7nm 类工艺的首次带出。
"Semiconductor Advisors 的 Maire 说："很明显，英特尔在这里磕磕绊绊，现在看来 7 纳米工艺至少要推迟六个月，甚至一年。"英特尔在摩尔定律方面显然落后于台积电，而不是与台积电并驾齐驱。显然，GlobalFoundries 被冻结在原地，停留在 14 纳米的时间上。因此，在美国，我们真的没有一家代工厂或 IDM 能够跟上时代的步伐了。
美国并没有停滞不前。英特尔誓言要解决这个问题，并最终推出 7 纳米产品。英特尔还在酝酿一项计划，将部分7纳米生产外包给代工厂。
随后，英特尔为重新获得优势，希望成立一个美国芯片财团。作为该计划的一部分，英特尔提议在政府的支持下运营一家美国代工厂。目前还不清楚这一计划能否成功。
GlobalFoundries 最近，GlobalFoundries在其位于纽约州的 300mm 晶圆厂附近获得了新的土地，用于实施重大扩建计划。"GlobalFoundries高级副总裁兼总经理Ron Sampson表示："在美国首都对半导体制造业投资的共识日益增强之际，我们比以往任何时候都更有必要做好准备，在GlobalFoundries美国最先进的制造工厂快速推进我们的发展计划。
台积电计划在亚利桑那州新建一座领先的 5 纳米晶圆厂，也许这才是美国的真正希望所在。该工厂计划于 2024 年投产。
不过，美国能否在工艺技术方面重新获得竞争力，或者哪家公司将在美国铸造业务中占据领先地位，目前还不得而知。
"我们在以代工厂为基础的制造领域落后了，可能在所有半导体制造领域都落后了。我们是落后了，但这并不是我们不能在相对较短的时间内赶上的，"Mentor 的 Rhines 说。"在晶圆代工方面，我们必须建立在 GlobalFoundries 或美国台积电的基础上。政府倾向于将英特尔作为一种可能性。但是，即使你能在美国获得可行的代工服务，如果你不能把产品卖给世界上最大的客户，这对你的帮助真的不大。
芯片时代
今后，来自不同国家的多家公司将继续在工艺技术领域展开竞争。但这并不是保持竞争力的唯一途径。
通常情况下，为了推进设计，业界会利用芯片扩展技术开发专用集成电路，以便在单片芯片上实现不同的功能。但是，每个节点的扩展都变得更加困难和昂贵，而且仅靠扩展带来的功耗和性能优势也越来越小。在 7nm 以下的每个新节点上，单靠扩展可将性能提高 10% 到 20%，而架构变化、专用加速器和软硬件协同设计可将性能提高 10 倍到 1000 倍。
此外，并非芯片的所有部件都能从缩放中获益。数字逻辑当然可以，但模拟元件却不能。因此，整个行业正在转向将复杂的芯片封装到先进的封装中，而不是将所有部件都缩小到一个芯片上。
如今，一些国家的公司、代工厂和 OSATs 都在推行 chiplet 战略，即芯片制造商可以在库中提供一系列模块化芯片或芯片组。客户可以混合搭配芯片，并将它们集成到现有的先进封装或新架构中。
AMD 公司、英特尔公司和其他公司已经开发出了类似芯片的设计，它们以更低的成本实现了与 ASIC 相媲美甚至超越 ASIC 的功能。但是，随着越来越多的芯片组被第三方开发出来并在多个市场上销售，边缘计算等新领域的市场主导地位将被争夺。
芯片组的发展势头仍在继续。例如，英特尔公司获得了国防部芯片项目的一份新合同，该项目被称为 "最先进的异构集成原型（SHIP）计划"。根据该计划，英特尔围绕芯片组建立了一个新的美国商业实体。该计划使客户能够获得英特尔的封装能力，包括国防部和国防界。
"国防部研究与工程副部长办公室微电子首席主任尼科尔-佩塔（Nicole Petta）说："路线图优先考虑并认识到，随着工艺升级的放缓，异构组装技术对国防部和我们国家来说都是一项至关重要的投资。
结论
竞争力的定义正变得越来越复杂。逻辑的工艺扩展仍将至关重要，但先进封装也变得越来越重要。
各国的公司需要同时发展这两方面。这反过来又会推动新的增长。但是，从技术角度来看，美国仍有一些工作要做。问题是，美国是否有政治意愿和/或企业回报来实现这一目标，目前答案还不明确。