CSIS智库报告：传统芯片的战略重要性芒果体育

2023-03-31 19:00:52

　　美国战略与国际研究中心（CSIS）3月发表题为“传统芯片的战略重要性”的报告。

　　2020年末出现的芯片短缺引起了广泛的关注，即最先进的半导体不再在美国制造，这代表了一个战略漏洞。值得关注的是，这种芯片短缺主要是由于所谓的传统芯片供应不足造成的芒果体育，美国公司继续生产这种芯片，但数量不足以满足国内器件制造商的需求。这种短缺不仅对汽车等传统行业产生了不利影响，还对其他采用半导体技术的器件产生了不利影响，包括微处理器、先进微控制器、模拟和混合信号产品以及功率半导体，以及驱动显示器、解码音频、操作引擎和执行其他关键功能的器件和组件。这些组件的缺失对美国经济造成了重大破坏，促使人们更深入地审视所谓传统芯片的战略意义。

　　基于半导体的“传统”或“主流”集成电路(IC)采用成熟但仍在发展的制造工艺生产，通常在每个芯片上蚀刻较大的晶体管。美国2022年颁布的《芯片和科学法案》将传统器件定义为采用28纳米(nm) 或以上技术生产的器件，并要求美商务部为其他类型的芯片制定精确的定义。这一决定仍有待做出。“尖端”芯片的官方定义也尚未形成，但可以假定适用于5纳米或以下的工艺节点。高度先进的10纳米和7纳米芯片处于定义的灰色地带，至少在美商务部将其归类之前是如此。即便如此，在一项仍在遵循摩尔定律预测的发展轨迹中，这是一种静态的区分：今天被视为“传统”的东西不久前还是尖端的，今天尖端的东西注定会成为明天的传统芯片。

　　传统芯片无处不在。虽然尖端芯片或微处理器在关键技术中有着广泛的应用，但传统芯片在大多数汽车、飞机、家电、宽带、消费电子、工厂自动化系统、军事系统和医疗设备的生产中都有涉及。这些设备在美国制造业经济中发挥着核心作用，这意味着传统芯片供应的中断会对美国制造业和下游经济活动产生负面影响。

　　尽管名字如此，传统芯片并不是过时的技术。与“成熟”、“较老”和“传统”等术语相关的内涵会产生误导，因为这些类别的芯片会不断地针对新的需求和应用进行改进。例如，这些芯片的创新，包括使用碳化硅半导体，预计都将在经济脱碳中发挥重要作用。传统芯片注定会在未来很长一段时间内与新兴产业和技术保持高度关联。

　　因此，在晶体管尺寸方面将传统芯片与前沿芯片区分开来，可能会限制我们对其战略和经济重要性的理解。“传统”一词本身是一个时代的遗留物，当时军事应用是芯片创新的驱动力。反映这种心态的是，最近的出口控制旨在限制中国制造先进芯片的潜力，让中国在主流芯片上创新掩盖了一个重大弱点。

　　如果美国要保护其经济免受中国产业政策的影响，美国的战略思想家们再也不能纯粹根据芯片组件的大小将芯片分为“先进”或“不太先进”了。相反，政策制定者必须更仔细地思考专用传统芯片以及支持其生产和持续创新的政策的重要性。

　　今天对传统芯片的广泛认知是由新冠肺炎疫情期间的芯片短缺所激发的。尽管当时产量达到历史最高水平，但美国内生产基地仍无法满足国内需求。2022年初，美国商务部发布了一项解决芯片短缺问题的调查结果，发现企业面临的最严重短缺不是尖端芯片，而是40纳米节点或更大的传统芯片。大多数当前的美国芯片生产以及大多数全球生产——都由这些更高节点的器件组成。根据商务部的调查，到2022年初，美国芯片厂的产能达到90%或更高，“对于需要定期维护和大量能源的生产流程来说，这是难以置信的高。”尽管有需求，芯片制造商根本无法在短期内提高产量。

　　2021年拜登政府对美国半导体供应链的审查发现,“美国各州依靠集中在中国台湾、韩国和中国大陆的资源来满足各种需求非领先的内存和逻辑芯片，广泛用于各种消费和工业应用。”2022年，美国商务部根据对150多家生产和消费半导体的美国公司调查得出结论，芯片短缺“威胁着美国工厂的生产芒果体育，并助长了通货膨胀。美国商务部长吉娜·雷蒙多在2022年1月25日表示，“我们作为一个国家所处的形势令人担忧，我们迫切需要采取行动来增加我们的国内产能。

　　考虑到半导体需要几个月的时间来制造，如典型的汽车微控制器（MCU）需要6到9个月。当前的供应反映了2022年的产量增长，市场现在面临某些类型芯片的供应过剩。然而，汽车行业仍然面临半导体短缺的问题。

　　美国汽车工业最近几个月的经历提供了关于传统芯片对于汽车和卡车生产以及相关经济活动的重要性的重要教训。美国汽车工业几乎完全依赖传统芯片，占半导体消费总量的95%。这是因为汽车工业中使用的芯片必须实现“汽车级”功能：芯片能够承受极端温度、潮湿、灰尘、化学物质、振动和电磁干扰等恶劣环境。这需要比先进消费电子产品中的芯片更强大和接近“零缺陷”的性能。

　　因此，汽车行业受最近传统芯片短缺的影响最大。开始于2020年，汽车级传统半导芒果体育体的短缺和漫长的等待时间削弱了美国的汽车生产。尽管有人声称芯片供应问题是由于疫情对全球供应链的破坏，但疫情期间全球芯片需求的飙升和“及时”优化的汽车供应链更应该受到指责。美国汽车制造商预计疫情导致的需求急剧下降，已经取消了现有的芯片合同。令他们惊讶的是，疫情带来了对消费电子产品和在家办公设备需求的前所未有的激增，导致驱动它们的芯片在全球范围内出现短缺。因此，在2021年初至2022年年中，北美汽车制造商无法获得更多器件，被迫从生产计划中削减430万辆汽车。可用半导体的价格也大幅上涨，加剧了通货膨胀。例如，从2020年秋季到2021年秋季，普通微控制器的单位价格翻了五倍。

　　虽然这一点并不总是被认可，但今天的汽车工业已经将半导体融入到汽车的最基本功能中。每辆汽车的平均芯片数量在2017年至2021年间翻了一番，达到约1700个，随着汽车和卡车融入新的安全功能和自动驾驶功能，这一数字只会继续增加。根据一项估计，全球汽车半导体市场的总价值将从2020年的387亿美元增长到2030年的1166亿美元，复合年增长率为11.7%。然而，撇开周期性供应问题不谈，汽车应用半导体的产量根本跟不上。传统芯片生产产能仅以每年约2%的速度增长。作为比较，半导体行业的生产能力从2010年到2020年整体上平均每年增长10%。

　　对于汽车行业来说，这种投资不足在模拟器件领域尤为严重。世界上最大的模拟芯片制造商之一意法半导体公司预测，其积压的汽车芯片订单将“持续超过现有和预期的制造产能，直至2023年。”

　　一般来说，美国芯片行业正在完全丧失生产某些类型的传统器件的能力。这并不是技术障碍的反映，而是由于相关的困难，较老的晶圆厂正在关闭，而不是被取代。根据美国会研究服务部的一份报告，许多传统芯片是在只能加工200mm晶圆的晶圆厂生产的，而不是在较新的晶圆厂生产当前的一代300mm晶圆。让事情变得复杂的是，报告提到“制造200mm芯片的设备不再容易获得。”因此，企业不愿对制造“旧”芯片的晶圆厂进行新的投资，因为只有在折旧的设备上生产，才能达到要求的利润率。

　　产能的减少意味着汽车行业的芯片短缺没有“万能”解决方案，尤其是因为该行业的需求正在迅速增长。展望未来，几乎所有预测的汽车芯片需求增长都将与电气化、自动驾驶和网络连接所需的器件有关，到2030年，这些应用所需的芯片中超过三分之二将由传统节点芯片组成。

　　供应限制扰乱了美国汽车制造商的运营，也影响了美国许多其他制造业。例如，医疗设备制造商苦于缺少为其机器提供动力所需的成熟芯片。芯片的有限供应迫使“公司进入现货市场购买电子元件….让病人很难获得一些关键设备。”

　　成熟芯片的短缺也影响了电子消费产品的制造商。2021年，由于芯片短缺，苹果被迫削减iPhones和其他产品的生产计划。iPhone 13 Pro Max是一款高度复杂的手机，包含2000多个组件，最先进的芯片并没有出现这种不足。相反，成本仅为几美分的外围组件的短缺,如德州仪器制造的电源管理芯片、Nexperia的收发器和博通公司的连接设备阻碍了生产。重要的是，“这种芯片不是iPhone、智能手机甚至消费电子产品所独有的，而是广泛用于计算机、数据中心、家用电器和联网汽车。”

　　芯片短缺的另一个主要原因就是缺乏投资。几年来，对传统芯片生产能力的投资远远落后于需求。原因很简单：传统芯片生产的投资回报要低得多。目前，只有大约六分之一的半导体投资流向传统芯片制造。尽管存在这些风险，几家主要的半导体器件制造商现在都在寻求旨在生产更高节点芯片的投资策略，包括英飞凌、ADI、德州仪器和恩智浦半导体。

　　对最先进芯片制造能力的公共投资与对更成熟设备额外产能的需求之间存在矛盾，迫使政策制定者协调对公共资源分配的冲突需求。这种困境在欧盟表现得最为明显，欧盟已经承诺投入430亿欧元用于先进芯片的研究和生产。2022年3月，英特尔宣布计划投资300亿欧元，在德国马格德堡建造一座晶圆厂，采用最先进的芯片制造技术。欧洲制造业高管一直对这些工厂建设投资持批评态度。他们认为，为英特尔项目设计的5nm、3nm和2nm 工艺节点制造的器件最适合“高容量、高性能的应用，如智能手机和服务器。”据这些高管称，这些芯片“不符合欧洲工业的需求”，欧洲工业需要传统芯片应用于汽车、机械和加工工业(如化学或制药)等领域。一位欧洲高管评论说，“所有芯片都会缩微到5nm以下的说法是错误的。汽车行业的主要创新发生在成熟的节点上。它们需要非常节能和安全。”

　　据报道，法国和德国已经达成一项妥协协议，允许旧芯片有资格获得国家援助，只要它们为制造或最终产品带来“创新元素”，这将使英特尔的传统芯片厂有资格获得欧盟补贴。

　　同样的紧张局势在美国2021-2022年关于立法的政策辩论中显而易见，最终成为2022年的《芯片和科学法案》。该法案于2022年8月成为法律，承诺投入520亿美元的联邦资金，以促进国内半导体行业的投资和研究。一个参议员联盟获得了20亿美元的激励资金，明确用于补贴传统芯片的生产。拜登政府后来还澄清说，商务部将拨款约100亿美元的芯片资金，以扩大“成熟和当代芯片、新技术和专业技术以及半导体行业供应商的新制造能力。”这些激励措施对于激励私人投资于生产高节点芯片的低利润晶圆厂是必要的，但所分配的公共资金是否足以满足日益增长的需求仍是一个悬而未决的问题。

　　在日本，目前几乎所有的半导体需求都是汽车和消费电子行业所需的高端芯片。2021年，台湾的TSMC和日本的索尼集团宣布，他们将投资70亿美元在日本建立一家芯片厂，以满足对老一代芯片的需求。该工厂预计将于2024年投入运营。汽车零部件制造商Denso和索尼将持有少数股权。据报道，TSMC正考虑在日本建立第二家工厂，以支持汽车行业向电动和自动驾驶汽车的转型，这将需要获得越来越多的尖端芯片。据报道，日本也正在与美国合作，从2025财年开始建立一个能够生产2nm器件的晶圆厂。目前的合作伙伴包括IBM和Rapidus，Rapidus是一个日本财团，由索尼、NEC、丰田、软银、Kioxia和MUFG（三菱东京日联）银行组成。

　　除了利润率低之外，考虑传统芯片投资的美国公司面临的另一个主要风险因素是中国。中国政府最近宣布对其芯片产业投资1430亿美元。预计中国半导体行业在2021年和2022年的资本支出分别为123亿美元和153亿美元，占全球总额的15%。假设中国能够获得必要的制造设备，预计未来10年中国的晶圆装机容量将增加近一倍，达到全球芯片装机容量的19%左右。半导体行业协会(SIA)的分析指出，“中国EDA公司现在为传统芯片提供越来越强大的产品，中国国内设备公司有望在未来几年为成熟节点(40/28nm)生产提供强大的能力。”

　　鉴于西方对中国先进芯片技术的禁运，大多数新投资将可能用于生产较老的(28nm及以上)器件。美国对中国先进芯片技术出口控制的一个意想不到的后果可能是政府又一轮支持的投资，导致生产过剩，并可能导致中国在全球传统芯片生产中的主导地位。

　　美国专家已经强调了中国潜在主导地位的风险。美国前副国家安全顾问马特·波廷杰（Matt Pottinger）观察到，中国传统芯片制造能力的增强将“赋予北京对每个依赖28nm芯片的国家和行业，军事或民用的强制杠杆作用，这是芯片世界的一大块。”另一位半导体专家丹·哈奇森（Dan Hutcheson）认为，“中国人可以用这些技术充斥市场。正常的公司竞争不过，因为在这些层面上赚不到钱。”当然，受益于新设备的国有和国有融资企业不一定要盈利。他们可以而且很可能会专注于市场份额，削减外国公司的收入和它们需要投资的资源。这将使市场经济当局别无选择，只能阻止“倾销”芯片的出口，或者看到该行业遭受光伏行业的命运，导致销售、收入、就业和创新的损失。

　　展望未来，传统芯片对于现代经济运行的重要性只会继续增长。保持一个强大而有弹性的供应基础，能够进行投资，生产和不断改进更高节点的芯片，这对国家的竞争力和经济安全至关重要。此外，更高节点芯片的创新有望成为各种新兴技术的基础，包括那些将我们带到一个更绿色、更健康的星球所必需的技术。生产绿色能源技术将需要更先进、节点更高的芯片，这是一个欧洲和美国都不能放弃的领域。

　　免责声明：本文转自战略前沿技术，原作者忆竹。文章内容系原作者个人观点，本公众号编译/转载仅为分享、传达不同观点，如有任何异议，欢迎联系我们！

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