芯片战争及其应对(上)-

原创:慕峰来源微信公众号:太阳照常升起已获转载授……

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原创: 慕峰
来源微信公众号:太阳照常升起
已获转载授权

Tufts University的年轻副教授Chirs Miller在今年10月出版了一本名为《芯片战争》的新书(书名全称是Chip War: The Fight For the World’s Most Critical Technology)。该书在出版后20天内,就在Amazon图书榜的“国家与国际安全”、“经济史”和“国际经济学”三个类目中分别排到第1、第2和第4名。

Chip War较为完整的梳理了半导体产业在美国的兴起、美国国内竞争、早年外包亚洲、美苏半导体产业发展的不同路径、日本半导体产业崛起的冲击、美国半导体产业的复兴、韩国及台湾地区的产业转移、中国大陆带来的新挑战以及美国的新回应等各阶段的主要历史事件。Miller细致回溯了每个阶段不同国家的产业政策与企业家决策(甚至包括企业家性格)的相互影响,以及半导体技术路径与产业发展变革的相互影响,尤其是,对历次产业变革背后最关键的动因与限制性条件——即各阶段的成本收益问题,做了较为深入的分析 。作为一名历史学者撰写的科技经济史著作,该书考据详实,语言简洁。但涉及中国大陆部分,作者有较为明显的偏向性。预计该书中文版短期内不会面世。

本文将结合Chip War(及其他历史资料)与作者近年来参与涉外制裁应对工作的个人思考,谈一谈自己对半导体产业目前面临问题的看法。本文将避开较为繁琐的细节和不宜公开讨论的部分,主要从产业发展史的视角去梳理分析当前美国芯片政策的来龙去脉。

本文有三项内容比较重要,恰好也是Chip War涉及不多的,包括:

1、美国半导体产业与美国政府系统(尤其是国防部、司法部、商务部)的历史关系;

2、1980年代美日半导体贸易战中,美日双方的应对及后期影响;

3、美国当前针对中国大陆的半导体产业政策的真实动因。

本文分为上、下两部分。

上篇将回顾半导体产业发展史的诸多细节,这些细节足以使读者能够切换不同视角来看待当前的问题。下篇将集中讨论分析美国本轮半导体政策的真实动因,包括策动的主要人物、观点及其利益背景。

对技术人员、市场人员和政策制定者而言,本文提供的视角尽量广阔,以期有助于跳出各自视野局限,令不同专业的读者有不同的收获。

以下为上篇正文:

在大陆半导体产业起步与发展的过程中,产业政策与自由市场、国产替代与全球合作的争论此起彼伏。支持自由市场者往往更加支持全球合作,认为半导体产业是全球化大分工的产物,是在满足全球信息化需求基础上,主要通过市场竞争发展起来的;支持产业政策者往往更加支持国产替代,认为从半导体产业发展史来看,无论美国、日本、韩国还是台湾地区的半导体产业崛起,都有着很深的政策支持烙印,半导体产业的国际竞争有着很强的周期性,不是单靠市场竞争就能获得一席之地的。这两种观点在现实中也不断影响着政策制定与投资偏好。

从半导体产业发展的历史来看,市场从来都不是单纯的民用市场,而产业政策却经常在追求民用市场的扩大。发端于冷战需求的美国半导体产业,有着非常明显的plural economic(混合经济)特征。这使得美国的半导体政策,在不同历史阶段,呈现出“时而政策主导、时而市场主导”的特征;但另一方面,主导政策与市场之间又有相互影响,甚至会出现对峙与博弈。

一、半导体产业的最初兴起受惠于美国的国防投入

美国的电子信息产业发端于二战需求,并在冷战中扩大。在半导体技术应用之前,被视为全球首台电子管通用计算机的ENIAC,就是1945年由宾夕法尼亚大学为美国军方设计制造的,主要用于弹道计算。

1950年代,半导体技术作为电子管的升级替代技术出现。半导体技术的早期关键专利掌握在AT&T的贝尔实验室手中,这是因为作为美国首屈一指的电信垄断企业,AT&T对旗下的贝尔实验室一直有充足的预算投入。由于AT&T一直受到来自美国司法部的反垄断压力,它开始把自己封闭的专利政策转向开放。1952年,贝尔实验室与25家美国公司和10家海外公司分享了当时它掌握的所有晶体管技术,每家公司只需要支付2.5万美元的未来专利权预付款。这是半导体技术在全球扩散的开端。

1952年贝尔实验室低价售出的专利中,非常重要的一项结式晶体管技术专利,是William Shockley于1948年获得的。1955年,不满现状的Shockley离开贝尔实验室,在旧金山创立了Shockley Semiconductor。1957年,该机构的八位年轻科学家因与Shockley不和,出走并成立了美国半导体产业的重要先驱企业——仙童半导体(Fairchild Semiconductor)。仙童半导体成立当年,全球首颗人造卫星Sputnik由前苏联发射成功,美国在空天领域被前苏联超越。美国国内受到震动,为应对前苏联在军事科技方面的巨大挑战,1957年美国国防部成立了“高等计划研究局”(ARPA),后改名为“国防部高级研究计划局”,也就是著名的DARPA

1961年,前苏联宇航员加加林成为首位进入太空的人类,美苏在空天领域的竞争进一步激烈。时任美国总统肯尼迪宣布要在科技上实现对前苏联的优势,在火箭和导弹计划方面予以赶超,并加大了对“阿波罗登月计划”的支持。登月计划给美国军方和NASA以充足的预算,仙童半导体的第一个大订单即来自NASA。登月计划使仙童半导体从一个年销售额只有50万美元的初创企业,在短短2年内就成长为一个销售额突破2,100万美元、拥有超过1,000名员工的美国军方重要供应商

与此同时,1958年德州仪器(TI)的Jack Kilby发明了集成电路(IC),麻省理工学院购买后,1959年将其应用于美国海军的导弹项目。同年,TI的联合创始人Patrick Haggerty向美国国防部力推Kilby的发明,由此获得了美国空军航空电子设备实验室(Air Force Avionics Lab)的研发经费支持。TI顺势拿到了美国“民兵二号(Minuteman II)”陆基导弹订单。截至1964年,TI向民兵导弹计划供给了10万块集成电路;截至1965年,TI售出的集成电路,有20%流向了民兵导弹计划。同样是在1965年,仙童半导体超过95%的产品应用于美国的军事和空天领域。

在整个1950-1960年代初,硅谷的半导体企业都受惠于美苏争霸初期的美国国防投入,如果没有当时的美国国防投入,半导体产业将难以起步。可以看到,美国半导体产业,自其诞生之初就与美国国防军工产生了紧密联系,这决定了美国半导体产业从一开始就不可能是一个单纯的市场化产业。

二、大规模民用化、技术扩散和离岸外包实现了半导体产业的起飞

二战结束后的美苏对抗及由此产生的美国大规模政府采购,决定了美国半导体产业仍处于一个相对封闭的市场,尚未走向以民用消费品为主。朝鲜战争的爆发加剧了这一市场趋势。朝鲜战争爆发当年(1950年)美国电子产业中的民用品产值为15亿美元,政府用品产值为6.5亿美元。到1957年,产值对比已经逆转为民用17亿美元,政府用41亿美元。在美国电子产业走向政府采购主导(军工、空天领域)的同时,日本利用这个契机,开始了半导体消费品大规模民用化的进程,成功打开了全球市场,甚至占领了美国民用消费品市场。

当时日本制造的民用半导体消费品主要包括:晶体管收音机、晶体管电视机、磁带录像机(VTR)、手持电子计算器等。Made in Japan席卷美国,仅在日本企业之间存在竞争。日本首相池田勇人在1962年会见法国总统戴高乐时,向后者推荐由SONY生产的晶体管收音机,池田也因此被外界称为“晶体管推销员”。

1960年代,尽管有来自美国国防领域的稳定订单,仙童半导体的创始人Bob Noyce也开始认为民用消费品市场的规模将远超国防市场。1965年,同为仙童半导体创始人的Gordon Moore在接受采访时,提出集成电路上可以容纳的晶体管数量在一定时间之内可以翻倍,这将使得计算能力稳定提升的同时,芯片价格可以持续下降。这个判断后来被称为“摩尔定律”(Moore’s Law)。摩尔定律揭示了半导体产业的未来,也即集成电路的价格在持续走低的同时,还将不断实现小型化,这是半导体产业大规模民用化的基础和前提。1965年,美国国防需求仍能覆盖美国集成电路总销量的72%,但到1966年,仅一家名为Burroughs的计算机公司就向仙童半导体订购了2,000万枚芯片,超过了阿波罗登月计划需求的20倍以上。1968年,面向大型计算机(mainframe computer)产业的芯片销量已与美国直接的国防需求持平。仙童半导体的芯片占据了大型机市场份额的80%。

在这个阶段,美国与日本在半导体研发和生产领域并没有多少直接竞争。美国半导体企业逐渐从军工、空天市场走向大型机市场,而大规模民用消费品市场则由日本企业获得份额,二者呈现出垂直分工的共生关系。之所以形成这样的分工,主要原因包括:

一是美国半导体企业从军工空天领域切入大型机领域转型难度小、收益高,且能维持美国半导体企业持续尖端研发的需求。大型机本身有很多应用也是在军工空天方面。

二是日本企业最初都是从美国半导体企业购买知识产权授权,以此切入民用半导体消费品的生产制造。这种做法扩大了美国半导体企业的收入来源,同时对美国半导体技术的主导地位尚未产生直接威胁。1960年代,日本企业支付的知识产权授权费用,占到了仙童半导体收入的4.5%,TI的3.5%和西部电子(WE)的2%。

但即便半导体领域还没有开始直接竞争,民用消费品领域的竞争却已激烈。早在1959年,美国电子工业协会(EIA)就向美国政府寻求帮助,认为从日本进口的电子消费品损害了美国的national security。1968年,EIA展开了对产自日本的彩色电视机的反倾销诉讼。半导体消费品(尤其是彩色电视机)逐渐成为此后日美贸易争端的重心之一。

当美国半导体企业开始切入新领域后,压缩成本变得越来越重要。一方面它们在美国国内开始聘用薪资更低的女性员工,另一方面开始将工厂建设到人力成本和税收都更低的缅因州和新墨西哥州。仙童半导体是第一个将生产线放到亚洲的美国半导体企业,当时香港的时薪只有25美分,仅为美国时薪的十分之一。1963年,仙童半导体实现了将加州制造的晶圆运往香港工厂组装,当年即在香港组装了1.2亿个器件。由于香港人工低,仙童半导体可以雇佣更有经验的工程师去管理生产线,从而提升了产品质量。在此影响下,TI、Motorola和其他美国半导体企业都快速跟进,在亚洲开始布局。1960年代中期,台湾地区工人的时薪为19美分,马来西亚15美分,新加坡11美分,韩国只有10美分。这些地区重视基建和基础教育、人工成本低廉,当地政府也十分重视产业引入,使它们很快成为美国半导体企业的远端工厂所在地。这也是造成今天全球半导体供应链“美国-东亚”分工的最初原因。

可以看到,诞生于美国并在最初高度依赖美国国防需求的半导体产业,真正全面起飞是因为面向了民用消费品市场的开拓。尤其是日本的半导体消费品企业,成功研制并推广了半导体收音机、电视机、录像机、手持计算器、游戏机等产品,扩大了电子消费对半导体的需求,形成了日本与美国在“半导体消费品”和“半导体产品”之间的垂直分工,而连结这个垂直分工的,则是专利授权制度,以及大型机和其他民用半导体消费品市场短暂的同期快速发展。与此同时,美国半导体企业由于开始切入价格敏感的民用消费品领域,压低成本的需求也导致了对东亚和东南亚地区离岸外包的初步实现。

民用消费品带来的巨额现金流,又反过来支持了美国半导体企业在高端领域的研发,促进了美国国防工业的进一步发展。1970年代,在越南战争受挫和前苏联军备快速扩张的压力下,美国国防部的William Perry与Andrew Marshall推动美国军事进一步朝重视半导体科技的“未来战争”方向发展,促使五角大楼对新军事科技进行大规模投入,包括:发展新一代利用集成电路制导的导弹;发展卫星导航系统;开始采用最新一代芯片技术以维持美国军事科技领先。后来在克林顿政府担任国防部长的William Perry,在当时还通过DARPA实施了一项特别计划,用以验证新型传感器、制导武器和通信设备能否协同应用。这些举措使得美国从1970年代开始,在国防科技领域与前苏联逐渐拉开了差距。

三、日本的追赶与日美半导体贸易战

1、日本的追赶

1968年,IBM的Robert Dennard发明了单晶体管的动态随机存储器(DRAM);同年,Bob Noyce和Gordon Moore离开仙童半导体创立了Intel1970年9月,IBM宣布在最新的大型机System/370 Model 145的主内存上使用半导体存储器,这标志着计算机存储器市场的诞生,其中最重要的产品就是DRAM。次月,Intel推出了首个容量为1KB的DRAM C1103,在市场上获得成功。

1971年,TI通过对C1103逆向工程推出了2KB的DRAM产品,后又推出了4KB DRAM。TI的工程师L.J. Sevin离职创办Mostek,并于1976年推出了16KB DRAM。1978年,三名工程师工离开Mostek,创办了MicronTI和Mostek的DRAM产品分别都占据过超过70%的市场份额,超过了Intel。在整个1970年代,美国半导体企业研发的DRAM产品维持了超过80%的市场份额。

日本企业并不满足于在半导体消费品领域取得的领先优势,他们希望切入产业链的上游。尽管1971年NEC就推出了日本第一款1KB DRAM产品,仅比美国晚了1年,但日本企业在DRAM领域的优势并没有建立起来。1971年8月,IBM在S/370大型机基础上提出了Future System计划,对先进DRAM的需求预期大增。受此影响,在通产省和大藏省的协调下,1976年日本政府启动了“DRAM制法革新项目”,推动日本在半导体领域加快发展。具体而言,是由日本政府出资320亿日元,日立、NEC、富士通、三菱、东芝五家企业联合出资400亿日元,总计投入720亿日元,组成研发联盟,实施“超大规模集成电路(VLSI)技术研究计划”每家企业各自牵头部分研发领域。该计划在几年内实现了日本在电子束光刻机、干式蚀刻装置等半导体核心加工设备,以及领先制程工艺和半导体设计能力方面的突破。

由于上述联合研发计划在不同企业之间形成分工,降低了日本企业之间的内部竞争压力,加之日本企业财团化的运作方式,以及当时日本处于通产省主导产业政策的兴盛期,日本在1978年比美国领先推出了64KB DRAM。其后又早于美国企业2年,在1980年实现了256KB DRAM的突破。日本半导体产业政策塑造的政府与企业合力,实现了对市场需求的满足。1980年美国惠普(HP)公司高管坦陈,日本DRAM的良品率要显著高于美国竞品,这对于追求稳定性的大型机而言,是至关重要的。1985年,东芝半导体研发出全球首款1MB DRAM。同年,日本DRAM的市场占有率超过美国竞品。1986年,日本DRAM的市场占有率达到了巅峰的80%水平。在舛岡富士雄发明闪存3年后,东芝于1987年推出了全球首款闪存芯片。

DRAM是1970-1980年代最重要的半导体产品,日本企业能够超越美国实现全球领先,有多重因素,主要包括:

(1)美国将日本作为与前苏联抗衡的东亚基地,政治层面一直支持日本的工业发展,希望将日本变成美国的“亚洲工厂”,因此政策上容忍初期对日本企业的技术输出。美国半导体企业通过专利授权也获得不菲收益。

(2)日本企业以从美国企业获得专利授权方式跨过初期技术门槛,在与美国DRAM产品技术代差并不明显时,通过政企合作和企业间合作的产业政策完成一系列技术攻坚,VLSI研究计划囊括了日本五大企业,分工竞合,减少内耗。

(3)日本半导体企业具有财团化背景,财团内部融资极为便利。1980年代日本半导体企业在制造设备领域的投资要比美国竞争对手多60%。AMD的创始人Jerry Sanders当时报怨,日本半导体企业的资金成本在6%-7%,而AMD的资金成本在18%以上。资金成本反应的另一个现实是,日本半导体企业有来自所属财团的长期资本支持,即使在利润率不高的初期追赶阶段,也可以获得低利率的长期贷款,进行长期规划和投资。这种财团内部资金转移投入,还有利于让日本半导体企业在追赶期“隐形化”,避免为寻求外部融资而不断向第三方披露研发和投资规划,不至于过早引起海外竞争对手的警觉。在日本企业几乎拿下美国高端市场时,美国半导体企业还在强调日本DRAM是“质次价廉”的产品。

(4)日本企业实践了美国William Edwards Deming教授的质量管理理论,使日本DRAM质量超过美国竞品。日本针对美国大型机的DRAM产品,可以无故障使用长达25年。1946年起,Deming常规性赴日本指导不同企业提升质量管理,坚持长达四十余年,影响了几乎所有日本制造和科技企业,被认为是日本的“质量管理之父”。美国本土则是到了1980年NBC节目反思为何日本企业会崛起时,才让Deming被美国公众所知。

(5)里根经济学导致的强势美元使日元贬值,有利于日本产品出口。

日本在DRAM领域的成功,将Intel、Motorola和仙童几乎逐出当时这个最重要的半导体产品市场。1979年,Mostek被出售给美国联合技术公司,后又转售给意法半导体。从Mostek衍生出的Micron,成为后来美国在存储芯片领域再次反超日本的种子企业。

除了DRAM外,1980年代美国在半导体设备制造领域也开始被日本追赶上。德国的卡尔蔡司和日本的尼康是全球最为领先的两家光刻机镜片生产商,同时也是当时美国领先的步进式光刻机(stepper)制造商GCA的供应商。1970年代,光刻机市场的领头羊是美国的Perkin-Elmer公司(初期与美国空军合作,后随着半导体产业发展进入民用市场)。1980年代,GCA后来居上。但GCA傲慢的管理层在初获成功后,就决定只购买被其收购厂商的透镜设备,从而将尼康排除在外。尼康对GCA步进式光刻机进行逆向工程,在1981年推出SR-1步进式光刻机,并在日本VLSI技术研究计划的支持下进一步升级。适逢日本DRAM产业爆发,尼康光刻机在镜头、机械、系统架构、稳定性和客户服方面都比GCA更为出色。1984年底,日本光刻机市场规模超过美国,1985年尼康光刻机的市场份额超过GCA。到1986年,尼康成为全球最大的光刻机生产商,拥有75%的日本市场份额,在美国、韩国的市场份额均超过50%。此时佳能光刻机的也拿到20%左右的全球市场份额。

2、日美半导体贸易战——政策攻防

广义的日美贸易战涵盖纺织、钢铁、彩电、汽车、半导体和电信六大行业,时间跨度自1960年代至1990年代。日美半导体贸易战主要发生在1970年代末至1990年代初。1970年代末,在日本半导体企业的追赶下,美国半导体行业渐成颓势,尤其是日本领先美国推出64KB DRAM,令美国企业感受到巨大压力。

1977年,美国五家最重要半导体企业的负责人(仙童半导体的Wilfred Corrigan、Intel的Bob Noyce、AMD的Jerry Sanders、National Semiconductor Coporation(NSC)的Charles Sporck,以及Motorola的John Welty)发起成立了半导体产业协会(SIA),由Noyce担任主席,希望通过政策游说的方式影响美国政府,对日本实施半导体贸易管制。成立SIA是美国半导体企业抱团应对日本挑战的首个重要标志。截至1985年,SIA成员企业已达48家,收入合计超过1,000亿美元。SIA在1980年代的主要影响包括

(1)1981年,游说开启了美国的R&D税收抵免制度。

(2)1982年,组建半导体研究机构SRC,资助美国高校开展半导体研究,培养半导体产业人才。

(3)1984年,游说通过《半导体芯片保护法》,将集成电路布图设计作为新型权利客体加以保护。同年,游说通过《国家合作研究法》(National Cooperative Research Act),这是使美国半导体企业能够抱团应对外部挑战的非常重要一步。美国半导体企业之间之所以难以形成合力,一方面是因为激烈的相互竞争,另一方面是因为美国反垄断制度的约束。电信行业反垄断一直是美国反垄断实务的重点,由此也影响到了作为电信行业延伸的半导体行业。1984年《合作研究法》允许“竞争前的(precompetitive)”基础研究合作,以及为实现基础研究的应用而建立标准或为之制定流程,在这些领域豁免了相应的反垄断处罚,这就为美国半导体企业在上述领域开展合作成为可能。到1993年克林顿政府时,该法进一步修订为《国家合作研究与生产法》(National Cooperative Research and Production Act),除研发之外,联合生产制造非销售用的研究芯片也得以实现。

(4)1985年,SIA以“日本非法限制美国芯片制造商进入日本国内市场”为由,根据美国贸易法“301条款”提起了申诉。与此同时,在SIA协调下,Micron针对日本64KB DRAM产品提起了反倾销申诉,Intel、AMD和NSC针对日本EPROM产品提起了反倾销申诉。美国商务部就此发起了针对日本半导体企业的反倾销诉讼案。在上述压力下,日美于1986年7月达成“半导体贸易协定”。日本政府同意引入价格监督制度(Fare Market Value),对销往全球的半导体产品实施最低出口价格,同时鼓励日本企业购买外国半导体产品。在协定的一份秘密附函中,日本同意将其半导体市场的外国份额从8%提高到20%。但这一协定无法强迫企业的销售与自愿购买,因而事实上难以执行。美国在1987年4月宣布不再执行协定,转而采取报复性关税措施,即对进口自日本的价值3亿美元的电子产品征收100%的关税。此后日本半导体的生产开始转移到韩国和中国台湾地区避税,这两个地区后来也受到美国的反倾销指控。美国半导体企业其实已经意识到,如果要从根本上扭转局面,必须培育美国国内的半导体产业基础设施并使其更加健康,尤其是实现生产材料和设备的多元化,降低对日本的依赖但他们担心这些长期措施无法应对来自日本的短期挑战,因此选择通过贸易保护的方式来争取时间。

(5)1986年,SIA开始迎来关键盟友。在1980年代,并非所有的美国半导体需求方都认可对日本产品进行贸易制裁,例如HP就认为日本的DRAM产品良品率要高于美国竞品。如果制裁日本产品,这些美国需求方的成本也将会上升,所以潜在的反对贸易保护者不在少数。长期在硅谷自由发展,不与华盛顿往来的美国半导体企业,在政策游说方面的能力一直偏弱。直到1986年,IBM的副总裁Sandy Kane意识到,如果任由日本半导体产业迅猛发展,那么IBM所依赖的芯片也将被日本垄断,进而会危及IBM在全球计算机市场的地位,这才使得蓝色巨人与美国半导体企业开始站到同一阵线。IBM在当时已有七十余年历史,是全球最大的计算机生产商,自研自用芯片,同时也是商用半导体产品的采购大户,关涉诸多产业,在华盛顿拥有足够的影响力。与此同时,出身仙童半导体,个性十足的国家半导体公司(NSC)创始人Charlie Sporck,几乎放弃对自己公司的管理,在任命两位副总裁经营NSC后,全身心投入到美国半导体产业复兴的奔走游说中。在Sporck、Noyce等人的游说努力下,AT&T、DEC等重量级企业也开始与硅谷站到一起。这些企业本是芯片产业激烈竞争的受益者,他们的站队使美国国内质疑贸易制裁的人开始改变态度,意识到长期依赖日本的风险。美国国防部、商务部、司法部也逐渐就美国半导体产业的重要性达成一致。

(6)1987年,在美国国防部的支持下,SIA组织美国十余家最重要的半导体企业成立了具有“政府-产业”联合性质的半导体产业联盟机构Sematech,由Intel的Bob Noyce担当首任负责人。同年4月7日,时任美国国防部长Caspar Weinberger在美国电子协会(AEA)发表讲话,为Sematech公开做出背书,他明确指出:“将作为国防基础的科技创新,建立在依赖于其他国家的基础之上,无论该国有多么‘友好’,对美国而言都是不可承受的”。国防部的态度源自1986年由国防科学委员会(D***)所做的一份分析报告,该报告认为:美国的军事力量建立在科技领先优势之上,而半导体是关键因素;半导体的大规模生产取决于商用市场,而美国在半导体商用市场的领先地位正在丧失;美国国防在半导体领域将很快对外国产生依赖,这是不可接受的。D***报告对美国国家安全委员会产生影响,其成员包括美国商务部、司法部、美国贸易代表以及行政管理和预算局。DARPA最终成为美国国防部在Sematech中的代表(但无投票权)。Sematech初期5年获得每年2亿美元预算,一半来自于半导体产业界的自筹,一半来自于美国财政拨款。在Sematech主导下,1989年3月美国实现了0.8微米制程4M DRAM和64KB SRAM的芯片制造能力;1990年获得了0.5微米芯片制程能力,再次反超日本。除在研发制造上的联盟合作外,Sematech还按照D***报告的建议,成功推动产学研一体化,在大学和研究机构建立合作性质的“卓越中心”(Sematech Centers of Exellence),实现企业需求的研发外包,同时也培养了大批后备骨干。

美国主动寻求对日本半导体的“去依赖”,因此在政策打压日本半导体产业的同时,还积极扶持韩国半导体企业对日本实现替代。从政策层面看,美国对日本采取价格监督,要求限制最低价格,但这一制度对韩国却不适用。此外,1985年《广场协议》签署后,日元对美元大幅升值,仅仅3年间即由1美元兑240日元,升值到1美元兑120日元,这也对日本半导体产品的出口造成负面影响。

1993年起,美国半导体企业的市场份额再次超过日本企业。

1994年开始的日美汽车贸易战中,美国要求日本设定从美国进口汽车零配件的最低配额,日本汲取半导体贸易战中的教训,予以强硬抵制,最终保全了日本的汽车产业。

1996年,日美半导体协定失效。

3、日美半导体贸易战——市场影响

日本半导体产业从反超美国,再到被美国反超,固然有美国半导体产业抱团应对、美国政策转向等外部因素,市场因素才是决定性的。这是因为,截至1980年代,尽管美国半导体产业仍与美国国防军工系统存在密切联系,但整个产业已经民用消费品化。来自美国政府侧的订单和补贴,与消费品市场的收入相比,已经显得十分微不足道。从市场侧来看,日本半导体企业错失PC时代,是导致其在1980年代由盛转衰的根本原因。

截至1960年代末,芯片针对不同用途和客户具有专用性。当时,日本台式计算机制造商Busicom的鳩正利,开始考虑采用通用的微处理器芯片,并开始寻访能够将之实现的半导体生产商。Busicom与Intel于1970年2月签署协议,由Intel为Busicom开发定制的通用微处理器芯片。1971年,Intel推出全球第一款商用中央微处理器(CPU)芯片4044,单片售价1,000美元。同年,TI设计完成其第一款CPU TMC1795,但未能获得市场认可,随即退出CPU领域。此后,Intel以6万美元价格从Busicom购买了微处理器的生产和销售权,这是使得Intel可以在1985年开始all in CPU的关键一步。

在Intel推出4044的1971年,Motorola开始CPU研发,并于1974年量产MC6800。同年,Intel推出了8080。Motorola的MC6800价格昂贵,客户难以接受,Motorola随后终止相关项目。MC6800的核心研发人员转投Mostek旗下,并在1975年成功推出Mostek 6502。Mostek 6502的价格仅为25美元,是Intel和Motorola CPU竞品的1/15,一面市即取得空前成功。1976年Steve Jobs离开雅达利游戏机公司,与Steve Wozniak一起创立Apple,推出其第一台个人电脑Apple I,即采用Mostek 6502;次年推出的Apple II(售价1,298美元)继续采用。除此之外,雅达利游戏机、任天堂红白机及所有兼容机当时都采用这款CPU。Mostek 6502引爆了家用计算机和游戏机市场。

1978年,Intel推出了i8086微处理器和i8087数学协处理器,这两种芯片采用相互兼容的指令集,这就是最初的x86指令集。1979年Intel推出8088,并于1981年成功用于IBM PC,个人电脑市场开始高速发展。

1970年代末的美国个人电脑市场,有三个主要竞争者——Apple、Commodore和Tandy。经营重心一直在大型机市场的IBM,在客户的劝说下开始进入个人电脑市场。IBM的CEO Frank T. Cary将该项任务指派给William Bill Lowe。Lowe的方案是IBM不采用自制芯片和操作系统,而是通过将外购“CPU+操作系统”打包的方式,来推出面向个人消费者的电脑产品。IBM选择由Intel提供CPU,由初创公司微软提供操作系统。Bill Gates无法在约定时间完成操作系统的编写,以7.5万美元向Seattle Computer Products购买了86-DOS的版权,并在此基础上改造成了MS-DOS。

1981年8月,IBM发布了第一款个人电脑产品——IBM PC。当年,IBM PC的销售收入就突破10亿美元。1970年代美国的反垄断风潮,对体量巨大的IBM的战略产生了多方面影响,IBM很快开放了PC的技术标准。这与Apple的软硬件封闭路线形成鲜明对比。IBM此举为自己创造了大量竞争对手,Compaq、DEC、Dell、AST等PC兼容机横空出世。在激烈的竞争下,IBM个人电脑的市场份额从1983年的80%,跌至1990年代初的20%。在开放式的PC时代,CPU和操作系统供应商自然最为受益。IBM作为最初的标准制定者,铺垫了Wintel联盟在未来的地位。

从半导体产品侧看,大型机DRAM市场的重要性逐渐让位于PC的CPU和DRAM市场。很显然,日本半导体企业错失了PC这个新兴市场

日本半导体企业一直的关注点在大型机DRAM市场。尽管最早的通用微处理器概念是日本企业Busicom提出,并由此使Intel研发出第一款商用CPU 4004,但日本半导体企业并未看到这个发展方向。在这段历史中,我们再次看到了半导体消费品企业主导了芯片产业的发展方向。由于日本DRAM是针对大型机的产品,而大型机强调DRAM的长期稳定性,这使得日本DRAM产品可以无故障运行长达25年。但PC并不需要价格昂贵、稳定性如此高的DRAM。PC的迭代最长不超过5年,因此,价格便宜、能够稳定运行5年的DRAM产品才是PC市场需要的。这为韩国半导体企业的崛起和美国DRAM生产商的复苏提供了契机。

在美国,脱胎于Mostek的Micron接受了靠种植马铃薯发家致富的Jack Simplot投资,使这家几乎仅存的美国DRAM企业开始拥有完全不同于硅谷的风格。Micron极致的压低成本,使其DRAM产品在PC时代相较日本竞品重获优势。在韩国,1983年左右三星和现代进入PC DRAM领域,SK进入材料和磁储存领域,类似日本的“产业政策+财阀”模式,使韩国半导体产业飞速发展,逐渐取代日本的优势地位。

日本在后来反思为何会错失PC时代时,找到了另一个市场侧的关键问题——日本个人电脑市场的封闭性。由于PC最初的软件体系是建立在英语应用之上,而日本在PC时代来临之前,已经普及了日文文字处理机(可以视为基于日文系统的个人电脑,本文作者在1980年代末还见过此类产品,已经能够处理中文)。在IBM PC面世后,NEC在次年就制造出PC兼容机PC-9800。由于NEC靠硬件解决了日文和中文的显示问题,因此PC-9800系列迅速以高价垄断了日本PC市场。到1990年,软件层面的DOS/V出现,此后微软推出Windows系统,文字处理不再成为问题,大量海外低价PC兼容机涌入,日本本土的PC制造随即开始衰退。这种封闭的市场环境下,让日本半导体企业在长达十年之内没有对PC产生足够的重视,从而将新兴市场拱手让予美国和韩国企业。

西村吉雄、铃木亨和小岛郁太郎在1988年分析日本半导体产业面临的转型期困境时,还专门提到日本泡沫经济对半导体产业的影响。由于泡沫经济时代日本不动产价格和股票价格高涨,使得理工科学生不愿去生产性企业就职,纷纷涌向银行和证券公司。这导致日本半导体产业在泡沫经济时代出现了人才断层。

4、日美半导体贸易战——小结

日本半导体产业在1970年代末开始的兴盛,源于美国半导体企业对新兴消费品市场的忽视,日式产业政策、政企-财团分工的有效推进(尤其是财团对旗下半导体企业的长期财务支持和经营管控),以及日本企业精益求精的质量管理。战后日本年轻人不服输的拼搏精神,也对包括半导体产业在内的日本制造业产生了十分积极的影响。

日本半导体产业在1990年代的衰落,虽有美国贸易制裁打压的外部因素,但根源还在于日本半导体企业对PC时代的到来缺乏足够的判断,这其中有日本封闭的国内PC市场产生的负面影响。

美国半导体产业在1970年代末针对日本挑战的抱团,比游说美国政府对日本进行贸易制裁更为重要的方面,是通过建立SIA、Sematech等组织,开始在有竞争关系的企业之间实现“竞争前合作”,同时将国防系统、科研系统与半导体产业更为紧密的捆绑到一起,进一步打通了基础研究与前端市场的联系。这其中不少是在学习日本的“先进经验”。

在韩国三星、现代的追赶压力下,日立、NEC和三菱电机拆分DRAM业务于1999年整合成尔必达。尔必达在2012年破产重组中,被Micron收购。自此,日本企业全部退出了DRAM领域。但东芝在闪存领域的坚守,为日本企业在储存芯片市场保留了一席之地。

除铠侠(KIOXIA,前身为东芝存储器)外,日系半导体企业退守至更底层的材料领域。目前,全球超过50%的半导体材料仍由日本企业提供,日本的半导体材料占据了韩国进口的80%以上。其中光罩(凸版印刷、大日本印刷)、光刻胶(JSR、住友化学、东京应化、富士胶片)、硅片(胜高、信越)、封装材料(住友电木)这四项半导体生产必备材料,日本企业的全球市场占比都超过80%。这也意味着,日本其实一直有足够实力卡住其他国家在半导体生产领域的脖子

正是基于在半导体材料领域的地位,日本经济产业省在2021年3月提出了半导体“三步走战略”,即:

(1)确保日本的半导体生产据点。具体举措包括引入台积电在日本建厂。

(2)研发2nm芯片。2022年11月10日,丰田、NTT、SONY、NEC、电装、铠侠、软银和三菱UFJ银行八家日本公司宣布,以2027年量产2nm或更小芯片为目标,合资成立Rapidus。

(3)到2030年研发出低功耗、可快速处理数据的新半导体技术。

四、纵向分工与水平分工——东亚的再转移

半导体产业发展史是一个典型的不断分工、提高效率、赢得市场的历史,迄今为止,经历了若干阶段:军用计算机产品的研发制造一体化,半导体芯片开始***立研发制造,消费品企业开始将芯片拓展应用于更多民品,个人电脑时代实现微处理器的通用化(CPU兴起),个人电脑时代“CPU+储存芯片+软件操作系统+软件”的分离与拼装化,个人电脑时代图形处理需求的满足(GPU兴起),低功耗手机芯片的兴起,芯片研发与制造的分离(代工模式兴起),芯片“架构和指令集”与芯片研发的分离(IP授权模式兴起)。

应当讲,上述每一个阶段,都是半导体产业的一次裂变,都具有“破坏式创造”的效果,都在每个阶段创造出了新的半导体产业巨擘。上述每次裂变都有深刻的市场需求变化动因,以及产业成本考虑因素。从产业变革进程来看,呈现出从纵向一体分工逐渐走向水平分工,再逐渐走向“颗粒化分工”的特点。

从纵向分工走向水平分工的阶段,正是半导体产业实现东亚再转移的阶段。这个阶段伴随了韩国产品对日本产品的替代,以中国台湾地区为代表的代工模式的兴起。

1、韩国的追赶

二战后,韩国作为后发国家,在经济发展策略上有明显的“东亚模式”特征。1960年代-1970年代,韩国以重化工业发展为起点,形成了朴正熙时代“威权政治+财阀经济”的政治经济模式。1969年,韩国商工部首次提出电子工业培养方案,标志韩国电子行业的起步。

1970年代,三星集团收购美籍韩裔科学家姜基东创立的半导体公司50%股权,初涉半导体领域。1983年,三星利用Micron财务危机购得其64KB DRAM的技术许可,在京畿道器兴地区建设半导体工厂,宣布正式进军半导体产业。同年,现代集团成立现代电子;LG、大宇等财阀企业均也开始进入半导体领域。

1984年,三星电子量产64KB DRAM;1985年,现代电子量产256KB DRAM。1986年,全斗焕政府推行半导体产业政策,由韩国电子通信研究所牵头,联合三星、现代、LG和韩国六所大学,将4MB DRAM作为韩国重点项目进行研发。卢泰愚政府继续推行上述政策,在1990年前共投入1.1亿美元,其中57%的投资由韩国政府承担。

硅谷乐见韩国半导体企业对日本形成替代。1980年代,Intel与三星合资在韩国建厂,由三星为Intel代工生产芯片。这是韩国向产业链上游推进的关键一步。

现代电子于1988年完成1MB DRAM研发,1989年完成4MB DRAM研发。1992年三星电子推出全球首款64MB DRAM。同年,现代电子完成64MB DRAM研发,并于次年完成对美国硬盘生产商Maxtor的收购。1996年,三星电子推出全球首款1GB DRAM。1998年,韩国DRAM产品市场份额超过日本,位列全球第一并保持至今。1999年,现代电子收购LG半导体,改组为Hynix。2012年,韩国SK集团收购Hynix 21.05%股份。自此,韩国形成了三星与SK-Hynix并立的半导体产业格局。

目前,全球DRAM市场高度整合,三星、SK-Hynix和Micron三家公司的市场份额超过90%;闪存方面,三星与SK-Hynix的市场份额相加达到52.9%,日本铠侠占15.6%,美国西数、Micron分占13.2%和12.6%。

DRAM是典型的设计与制造一体化(Integrated Device Manufacturer,即IDM模式)。三星电子与现代电子(SK-Hynix的前身)都是从DRAM开始切入半导体产业的,因此从最初就具有研发设计制造一体化的特点。与SK-Hynix仅在储存芯片领域深耕相比,三星自身打造电子消费品牌,在手机通用芯片和液晶面板方面的投入十分巨大。

1990年代,三星进入手机生产领域,在2G时代采用了美国的CDMA标准。1997年,三星在CDMA手机市场份额达到55%。三星早在1994年就开始采用ARM芯片,用于DVD产品。2002年三星与ARM开始深度合作,在智能手机时代尝试了Windows、PalmOs、Tizen等多个操作系统。2007年,Apple推出第一代iPhone时,三星就开始为Apple代工。直接受益于代工的制造学习曲线,2010年,三星成功自研Exynos 3110芯片(对比Apple A4),并开始推出Galaxy S系列手机。基于ARM架构自研自制SoC芯片+Android系统,三星手机走上了与iPhone分庭抗礼的快车道。随着竞争的日益激烈,三星对Apple的代工合作到A9处理器(也就是iPhone 6S的SoC)后,分道扬镳。

受益于早年在彩色电视领域的研发,三星很早介入了液晶面板领域。1998年三星的TFT-LCD市场份额已经实现全球第一,后又在AMOLED领域一直保持领先。

可以看到,三星电子今天的地位是三星在SoC、闪存和液晶面板三方面的领先优势所奠定的。这种纵向一体化的成功,也是目前半导体企业中所仅有的。但另一方面,三星早年形成的代工优势仍然保持至今,尽管与Apple分道扬镳,但后来又代工高通芯片,从而使三星维持了代工大厂的地位,从而成为了台积电的最重要竞争对手。

韩国半导体产业的追赶,是伴随对日本半导体产品的替代,尤其是储存芯片领域,韩国企业抓住了日本企业错失的PC时代,同时又抓住了智能手机时代水平分工的代工模式兴起。众所周知,韩国半导体企业的崛起,伴随着若干次重大的逆周期投资。在产业周期底谷,继续加大投入,承受两三年大额亏损,直到把竞争对手挤出市场。这种逆周期投资模式已经成为半导体产业竞争的常态,这也意味着,每个国家的半导体产业背后,其实都有一只“有形之手”的深度参与。

2、台湾地区的水平分工革命

1968年,出生宁波、身为美国TI公司副总裁的张忠谋,第一次踏上台湾土地,代表TI赴台湾考察设立封装测试厂事宜。这次考察,张忠谋结识了被陈诚一手提拔的台湾地区“经济部”负责人李国鼎。

1973年,在时任台湾地区“经济部”负责人孙运璿的主导下,台湾成立了工业技术研究院(工研院)。工研院后来成为了台湾半导体产业的“黄埔军校”。此期间,因蒋经国与陈诚派系不睦,将李国鼎改任台湾地区“财政部”负责人。

1974年,在美国无线电公司(RCA)担任微波室主任的潘文渊,接受孙运璿的邀请,在美国召集组建了电子技术顾问委员会,开始帮助台湾布局半导体产业。1977年,在工研院主导下,台湾第一个半导体示范工厂落地。1980年,工研院成立联华电子(联电),将示范工厂和部分管理、技术人员转移给联电,并提供了技术授权。同年,孙运璿与李国鼎(此时已改任台湾地区“政务委员”)共促台湾新竹科学工业园区成立,半导体产业在台湾开始走上快车道。

1984年,工研院出资7,000万美元,开始台湾的大规模集成电路计划,建成台湾第一座半导体代工厂。1985年,张忠谋赴台湾出任工研院院长,兼任联电董事长。1986年,李国鼎多方奔走策动台湾地区“行政院开发基金会”投资7,000万美元(占48.3%),民间投资3,500万美元(占24.1%),荷兰飞利浦公司投资4000万美元(占27.6%),成立了台积电,由张忠谋担任董事长。台积电成立时的核心班底,几乎清一色在美国一流高校和半导体企业担任重要职位的华人,包括胡正明、蔡力行、蒋尚义、梁孟松、余振华等。

在台积电之前,半导体代工已经兴起,例如三星电子、联电等,都是既做IDM,冗余产能也做代工。张忠谋将台积电定位为第一家只做半导体代工的企业,这个决定导致了全球半导体产业的又一次裂变。Fabless(无工厂半导体设计)与Foundry(代工厂)深度合作的分工模式逐渐成型。

代工模式在财务上的理由是,半导体制造设备投资的折旧逐渐成为半导体生产中最大的成本。随着摩尔定律下半导体制造工艺要求的不断提升,半导体制造工厂的投资越来越大。制造设备投资折旧逐渐成为半导体生产中最大的成本。这意味着,除非一家半导体研发制造企业(IDM模式)的体量足够大,能够长期购买新设备并承受折旧,否则要么它将退出更先进制程芯片的制造领域,要么在财务上将走向崩溃。

张忠谋在看到上述“终极问题”的时候,设备折旧带来的压力尚未在半导体领域全面展现,因此纯代工模式并不被看好。但数年之后,市场逐渐感知这将是大势所趋。专司芯片设计的Fabless企业应运而生,由于制造成本大幅降低,可以将更多资金用于研发。同时,Foundry(代工厂)由于自身不司研发设计,不拥有芯片品牌,因此与Fabless没有利益冲突。这也是后来台积电能够从三星电子争抢代工份额的关键。Foundry逐渐成为所有Fabless的“生产平台”,实现了代工厂的“基础设施化”。所有平台模式自带的外部效应最终都会走向“自然垄断”,Fabless对Foundry的依赖只会越来越强。Foundry的财务收益和市值逐渐超过IDM企业。2019年10月9日,台积电市值达到2,524亿美元,超过Intel,成为全球市值最高的半导体企业。AMD与Intel都表达过对代工模式的担忧,但最终在市场的压力下,都走向了认同代工。Intel从坚定的IDM企业,逐渐也转变成类似三星的模式。

Foundry的现金流越来越充沛,利润率越来越高,实际是以所有Fabless的投入来摊薄了其作为全行业基础设施的设备折旧。Foundry因此可以承受不断升级的设备投资。代工模式提升了全产业链的效率,不但促进了芯片研发设计的进步,还使得芯片制造设备改进的效率得以大幅提升。

1987年台积电成立时,荷兰飞利浦公司就成为其创始股东。这使得台积电创始团队在拥有美国技术积累之外,从创立之初就开始接受来自飞利浦的技术分享。ASML正是1984年从飞利浦分立出的光刻机子公司。1988年,ASML仍然在GCA和尼康的竞争夹缝中找不到存在感,但台积电工厂的一场大火,使ASML获得了额外的17PAS 2500光刻机订单。台积电的保险公司支付的火灾赔偿费用,使台积电成为ASML当年最大的客户。也正是这笔订单,使ASML终于扭亏为盈,在1989年共售出74台光刻机,录得收入9,400万美元,利润700万美元。随着代工模式的影响日益扩大,IDM企业数量不断减少,为数不多仍然具备制造能力的企业成为光刻机市场不多的客户。半导体制造技术的提升,最终只在半导体制造企业(仅剩的IDM企业和Foundry企业)与半导体制造设备企业(典型的如光刻机企业)之间的合作中得以实现。ASML最终成为芯片制造企业必须依赖的设备供应商,而台积电最终成为ASML的最大客户。

除台积电外,台湾地区在芯片设计、制造和封测领域还拥有多家全球营收排名前列的企业。芯片设计领域包括联发科、联咏和瑞昱;制造领域除台积电外,还包括联电、力积电;封测领域包括日月光、矽品精密、力成、京元等。Chris MillerChip War中感叹,半导体市场并未因技术扩散而实现全球化,真正实现的是台湾化;美国企业已经失去了半导体制造和光刻技术的领先地位。

1990-2000年代,高通、联发科、华为等新兴Fabless企业高速成长,在电信市场和手机市场高速扩张。Nvidia与收购ATIAMD,逐渐成为GPU双擎。2007年,iPhone把半导体产业带入智能手机时代。如同曾经的游戏机、计算器市场和PC市场,每一次电子消费品革命,对半导体产业都会产生根本性影响。ARM架构+Android系统替代了Wintel联盟,更加开放式的软硬件授权体系,让新平台承载着更多的新兴企业。移动互联网平台兴起,云计算业务的蓬勃发展进一步拓展了半导体产业的边界;随着电动车革命的到来,汽车芯片又成为半导体产业的另一个重要方向。

日益成熟的水平分工体系,正在挑战传统的纵向分工王者。正如今天人们所见,ARM架构的CPUAI时代日益重要的GPU已经开始对IntelCPU地位产生重大挑战。Chiplet进一步延伸了摩尔定律的应用。颗粒化的分工体系正在水平分工形成的平台外围进一步展开。

正是在这种背景下,中国大陆的半导体产业开始真正起步。但正是这很短时间的起步,中国大陆的半导体企业就被美国视为最严峻的战略竞争对手,进而采取了比日美贸易战时代更为彻底的技术控制措施。这究竟是因为中国大陆的半导体产业的技术能力和市场能力,已经达到或超过日本1980年代对美国的挑战水平?还是美国的产业界和政界打着应对中国大陆的旗号另有考虑?

在下篇,我们将梳理美国本轮半导体产业政策的推动过程,包括美国产业界和政界关键推动者的相关思路,以及美国内外产业界对其的质疑。这些分析将印证本上篇历史回顾的重要性。

以上。

参考资料:

1、Chris Miller, Chip War: The Fight For the World’s Most Critical Technology, 2022

2、Larry D. Browing and Judy C. Shetler, Sematech: Saving the U.S. Semiconductor Industry, 2000

3、James W. Cortada,IBM: The Rise of Fall and Reinvention of a Global Icon, 2019

4、Geoffrey Cain, Samsung Rising: The Inside Story of The South Korean Giant That Set Out To Beat Apple and Conquer Tech, 2020

5、Douglas A. Irwin, 《贸易的冲突: 美国贸易政策史》, 中信出版社2019年版

6、西村吉雄,《日本电子产业兴衰录》,人民邮电出版社2016年版

7、张汝京,《半导体产业背后的故事》,清华大学出版社2013年版

8、张如心,《矽说台湾──台湾半导体产业传奇》,台湾天下文化2006年版

9、禇静涛,《台湾缘何能抓住产业转型机遇?功臣之一李国鼎生平回顾》,“中国台湾网”2019年9月10日

10、Rene Raaijmakers,《光刻巨人:ASML崛起之路》,人民邮电出版社2020年版


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