借鑒美國打壓日本半導體經驗

借鑒美國打壓日本半導體經驗

19世纪20年代，德國經濟學家李斯特在《政治經濟學的国民經濟體系》中用“踢開梯子”來形容先進國家對後起國家的技術和經濟壓制。 “這是一種十分尋常的巧妙手法，當一個人已經攀上高峰以後，就會把之前所使用的那個梯子一脚踢開，以免别人跟上來。”

梯子既是後起之秀進步的捷徑，也可能成為隱形的陷阱。一旦發達國家在技術和經濟等領域樹立成功模式，後來者再想要按這種模式發展，往往會在關鍵節點被前者踢掉梯子，從而墜落。 

這個思路可以形象生動地詮釋今日的芯片之戰。美國作為芯片技術的發源地，主導者遊戲規則的制定，其他玩家只能唯其馬首是瞻。因此無論聽上去多麼霸道和荒謬，美國在芯片領域的各種“制裁”和“禁令”總是屢屢得手。 

後起者始終要牢牢把住梯子，並且保證“補梯子的速度要快過拆梯子的”。當然還有另外一個辦法，就是自己搭梯子，槍先攀頂。 

半導體產業鏈的上游是材料和設備，中游是設計、製造和封裝測試，下游是物聯網、5G、人工智能等各種應用場景。 

美國隊於中國半導體產業的打壓，除了直接段供高端芯片之外，還在材料、設備、設計和製造端倫番發力。 

半導體材料可以分為基本材料、製造材料、封裝材料，具體包含硅晶圓、光刻膠等，目前國產化只占據15%左右，且難以覆蓋核心領域，主要被美日企業壟斷。 

半導體設備中，晶圓製造設備投入占比70%以上，分為光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設備。光刻機決定著晶圓加工的工藝水平。我們常說的28nm、14nm、7nm都是指光刻機能够分辨的最小圖形尺寸，尺寸越小代表晶圓上能切割的芯片樹量越多，集成度和良品率也越高。 

光刻機的數十萬個零部件產品，整合了世界各國的頂尖工藝，是集成電路產業皇冠上的明珠，荷蘭ASML佔據了高端光刻機80%以上的市場。 

從去年開始，ASML對中芯國際極紫外光刻(EUV)7nm設備擱置交付。盡管今年10月，ASML首席財務官Roger Dassen表示“荷蘭無需獲得美國許可，就能向中國出貨深紫外光刻(DUV)系統”。但從製程範圍來看，DUV只能做到25nm，只有EUV才是進入10nm以内的穩定通行證。 

在IC設計的上游環節，EDA軟件和IP授權工具是芯片設計的基石。而EDA軟件基本被Synopsys、Cadence、Mentor Graphics三家公司壟斷，前兩者都是美國公司。 

這三家公司都在2019年5月實體清單之後就停止了和華為的合作，不再繼續提供升級服務，僅靠國產軟件很難實現芯片設計的全流程替代。12月4日，英偉達正式宣布以400億美元收購 ARM公司，上層芯片架構供應商也被美國控制，華為的芯片設計更加困難。 

IC製造領域最受囑目，台積電在今年9月15日以後就不得為華為設計的芯片進行代工生產。目前中芯國際能够量產的最精細製程是14nm，而華為目前最先進的麒麟9000芯片，采用了5nm的製程工藝，二者之見的技術差距2-3代。 

雖然幾個領域的老大都未必是美國人，但美國在半導體產業裏掌握輒幾乎所有核心的環節，在各個細分領域也很少有短板。這決定了美國人有打壓别國的底氣。 

2019年，全球排名前5的半導體設備廠商有三家美國企業，分别是應用材料、泛林科技和科天半導體，這三家都是綜合設備供應商,經營產品涵蓋沉積、刻蝕、檢測等幾乎所有半導體製造環節的設備。 

阿斯麥（ASML）盡管地處荷蘭，但它最大的兩個股東都是美國公司，且零部件有55%依賴美國進口，受到美國出口管制的限制。 

在芯片設計領域，美國獨占榜首。據Trendforce 2019年數據，全球前十大Fabless公司（芯片設計公司）美國占了6家，前三大Fabless公司博通、高通、英偉達全是美國公司。 

在芯片製造領域，美國有Intel和格羅方德，掌握著世界最先進的芯片製造工藝。材料領域雖然整體由日本占據領先，但美國的陶氏化學位居世界化工產業第二名，提供光刻膠等多類半導體產業相關的化學品，也在產業鏈中占據著重要地位。 

可以說，美國人花70多年時間，為自己在半導體領域搭建了一把最為堅固的“梯子”，這把梯子幫助美國人爬上整個芯片製造業的頂端。站在山頂的美國人，可以看誰不順眼，或者看著誰快爬上來了，就一脚踢開誰家的梯子。

美國人的“梯子”是怎麼搭起來的？

從晶體管、集成電路、超大規模集成電路，到個人計算機、移動智能中端、人工智能芯片等，在半導體產業步步攀高的階梯上，幾乎所有重要的創新變革都發生在美國。 

1925年，時任AT&T總裁華特·基佛德（Walter Gifford）在美國新澤西州成立了“貝爾電話實驗室公司”，爾後更名為貝爾實驗室。這個實驗室產生了太空望遠鏡、太陽能電池等許多新發明，而這些重大技術創新大多源自於基礎研究的突破。 

匯集了世界各國頂尖科技人才的貝爾實驗室，在數學、物理學、計算機編程論、材料學、現代通信理論等領域都取得了划時代的成就。 

1945年，著名物理學家威廉·肖克利回到戰後的貝爾實驗室，帶領固體物理研究小组，研發製造能替代電子管的器件。1947年聖誕節前夕，受到肖克利的場效應理論啟發，他的兩位同事沃爾特·布拉頓和約翰·巴丁用幾條金箔片、一片半導體材料和一個小紙架製成一個模型，可以傳導、放大和開關電流。他們把這一發明稱為“點接触型的鍺晶體管”，標誌著划時代發明——半導體的誕生。

肖克利缺席了最後的實驗過程，因此1948年申請半導體專利時没有他的大名，這令他大為惱火，並立志要做一種與眾不同的晶體管。1950年，肖克利研發出世界第一只PN结型晶體管，直到70年後的今天，我們所用的大多是這種晶體管。 

晶體管誕生之初，其應用生態就呈現出多樣性。在貝爾實驗室的研究基礎上，德州儀器於1954年發布了第一個可以量產的结型硅管，具備耐高温、散熱强的特性，一舉成為美國國防軍事領域最主要的硅管供應商。同年德州儀器還推出了第一款便携式的晶體管收音機Regency TR-1，一下子成為爆款，賣出了10萬多台。無論是上流社會的明星貴族，還是工薪階層的一般家庭，少有人能够抵擋得住這款潮流產品的誘惑。 

蘋果公司聯合創始人史蒂夫·沃兹尼亞克（Steve Wozniak）曾經評價Regency TR-1：“如果没有這項技術，也就没有便携式媒體播放器，今天就不會有iPhone了。”

1954年到1956年，美國是場上共出售了1700萬個鍺晶體管和1100萬個硅晶體管，價值5500萬美元，到了1957年，晶體管的年產量達到了2900萬個。 

1946年，全球第一台計算機ENIAC由美國賓夕法尼亞大學研製成功，個頭足足有一間屋子大。12年後IBM公司製作了第一台使用晶體管的計算機，直接瘦身到衣櫃大小，但提升了幾百倍的運算速度。 

美國在半導體產業初創時期連續奪得世界第一，也與社會資本的大舉進入密切相關。美國硅谷是現代投資業的起源地，洛克定律的發明人阿瑟·洛克創辦的投資公司Davis & Rock是全球最早的風險投資機構，其促成的第一筆資金就給了初創不久的仙童半導體。Intel公司的初創也受惠於洛克和硅谷的風險投資。 

此外，美國聯邦政府對半導體的興致也頗為濃厚，從一開始就高度介入半導體產業。正如經濟學家Laura Tyson在1992年所觀察到的：“半導體行業從為擺脫政府干預這只看得見的手。” 

20世纪50-60年代，美國軍方通過簽訂合同，為半導體企業提供大量採購訂單。據統計，70%以上的半導體研發經費來自政府採購。 

基礎研究堅實、應用生態繁榮、聯邦政府庇護、風險資本加持，使得美國半導體產業在初創時構成了良性、可持續的創新循環。他們只需不斷追趕摩爾定律，就可以保持住霸權地位。

將日本人踹下深淵

1976年，日本政府發展超大規模集成電路計畫（VLSI），撮合日立、NEC、富士通、三菱、東芝五大公司設立VLSI技術研究所，以美國為超越目標，舉國攻堅半導體產業。 

這一計畫在早期實施時遇到了重重阻力。日本半導體產業希望得到1500億日元的政府資助，但實際只拿到737億日元，其中只有291億日元來自政府投入。遠遠不及預期的投入造成了巨大的心理落差，各成員企業士氣低迷，各行其道，難以達成合作。當時參與VLSI計畫的富士通公司原工福安一美回憶: 

“那時，大家都有一種被公司遺棄的感覺，而且也没想到最後研製出向IBM挑戰的產品。” 

關鍵時刻，日本半導體產業的開山祖師垂井康夫出面做“帶頭大哥”，終於力挽狂瀾。垂井康夫認為，企業首先需要同心協力才能改變日本芯片基礎技術落後的局面，集中力量突破基礎技術後再進行自身產品的研發，才能使日本企業在國際具有競爭力。 

在垂井康夫的帶領和鼓舞下，日本半導體產業开始聚合力量，合作效率越來越高。在VLSI計畫實施四年後，日本已經手握千餘件行業專利，各公司的技術能力普遍提高。 

1980至1986年，日本企業的半導體產業市場份額由26%上升至45%，而美國企業的半導體市場份額則從61%下滑至43%。與此形成鲜明對比的是，1985年Intel被迫裁員7200餘人，宣布退出DRAM存儲業務。同年，日本NEC成功占據全球半導體廠商銷售收入榜首，甚至計畫購買美國仙童半導體80%的股份。Intel創始人羅伯特·諾伊斯哀嘆： 

“美國進入了衰落的進程，如果情况繼續持續下去，硅谷將會成為一片廢墟。”

美國人顯然不會眼睜睜看著自己一手開創的產業就此衰落，随即以雷霆之勢對日本半導體進行了毁滅性打擊。1985年，美國半導體行業協會向政府訴苦，認為半導體行業的削弱會危害國家安全，引發了美國政府的高度重視。 

1986年春，美國認定日本存儲芯片傾銷。同年9月，在美國各種重壓之下，日本被迫簽署《美日半導體協議》。協議要求日本停止對美國和其他國家市場的芯片傾銷，同時向美國開放市場，到1991年外國公司的份額要達到20%。 

美國人認為，日本封閉的半導體市場是導致美國半導體競爭力下跌的最重要因素，日本半導體企業在本土壟斷並賺取大量利潤，以支持其技術創新活動。 

1987年，美國以外國半導體企業進入日本市場機會不均等和日本在第三國市場傾銷為由，單方面宣布對從日本進口的店子產品徵收100%的懲罰關税。 

1991年，日美再次達成了第二次半導體協定，延續前一次協議。至此日本半導體企業的全球市場份額一路狂跌，從1986年的45%跌到2017年的7%，再無此前的競爭力。 

在摩爾定律的鞭策下，半導體行業必須追求技術創新的速度。但從日本的遭遇來看，僅僅構建創新循環還不足以维持可持續的造芯體系，還需要由國家統籌，為產業建構應對外部風險和挑戰的護城河。 

在將日本人一脚踹下深淵之後，心有餘悸的美國人開始加固自己的“梯子”。

美國人的自我反省

上世紀80年代美國被超越，半導體產業向日本轉移，這個過程中孕育出一種半導體發展的新型模式。

當時美國半導體企業多聚集於硅谷，其發展模式大致是風險資本為創業公司注入資金，創業公司獲得資金支持後，進行持續的技術創新獲得市場，提升公司估值後上市，風現資本賣出股票獲利，然後退出。 

這種模式有助於解決半導體企業初創時的資金問題，效率很高，但不利於各個公司之間整合資源，大家都把對方看做同一賽道上的競爭對手。 

日本人首先找到了一種截然不同的模式，國家統籌组建技術共同體，各半導體企業對外競爭，對内合作。超大規模集成電路計畫整合了日本半導體產學研資源，打破企業間的壁壘，聚集了當時國内半導體最頂尖的科學家和工程師，這群人集智集力、在一起規畫未來的發展路線，往往能產生颠覆式的創舉。 

如果說美國半導體企業像是一群各有所長的超級英雄，日本半導體產業則像是一群武士為抗擊外敵聚在一起，研習新的武學招式，並且共享經驗。 

1982年，美國數十家半導體企業也意識到了這一問題，结成技術共享聯盟研發DRAM，然而為時已晚，在美國企業剛剛研製出256KB DRAM時，對面日本已經批量上市了。 

依托這種技術共同體的模式，半導體產業能够集中優勢資源面向未來布局，攻克的不僅是當下的主流技術，還有未來的新技術。 

當時的日立把一整幢樓用於存儲芯片研發，第一層人員研發16KB，第二層人員研發64KB，第三層人員研發256KB。時任Intel生產主管的安迪.格鲁夫沮喪地說：從日本参觀回來的人把形勢描繪得非常嚴峻。” 

日本人這種面向未來的研發布局就像是傳說中的三刀流，讓習慣了單手舞刀的硅谷企業毫無招架之力。 

經歷挫折後，美國終於認識到突破未來技術的重要性。1984年，《國家研究法案（NCRA）》班布，開始啟動半導體制造技術科研聯合體（Sematech）計畫，國家驅動IBM、TI和HP等十幾家企業聯合成立了SMTRC（半導體製造技術科研戰略聯盟，Semiconductor Manufacturing Technology Research Consortium）。

SMTRC位於德克薩斯州的奥斯汀（Austin），經費一半由成員企業提供，另一半由美國國防部高级研究項目局（DARPA）提供，研究成果由各成員企業和美國政府共享。期間共計有700名研發人員参加，每年投入2億美元，主攻IC製造與設備工藝。

除了規模化的投入，精巧的組織設計也推動了共同體的成立。共同體的聚合都需要一個“帶頭大哥”，在日本是垂井康夫，美國人則推出了有著“硅谷之父”盛名的羅伯特·諾伊斯。現在看來，這在當時無疑是一個明智的決定。 

作為一名傑出的科學家，諾伊斯在技術上有能力將各成員不成熟的研發意向，整合成切實可行的研發方案。先後創辦仙童半導體和Intel的經歷，已經讓諾伊斯成長為具有投資和管理意識的企業家，熟悉企業的經營規律。而他“硅谷之父”的地位，足以赢得組織成員們的尊重和信任。 

共同體的管理，由企業的技術專家和管理人員共同負責，防止科研與市場脫節，並定期召開會議，研判產業與技術發展的當下和趨勢，這種高職量的信息資源對於小企業成員是寶貴的財富，實現了最新的信息和技術在行業的擴散共享。 

在SMTRC的引領下，美国半導體產業到1993年已經很大程度上恢復了競爭力。1996年，美國實現全球第一塊12寸晶圓的突破，繼續引領集成電路行業。

中國芯片產業的“梯子”

没有一個國家擁有100%完整的芯片全產業鏈。解決現實的卡脖子問題，不能完全靠關起門來搞自主創新。這樣即便造出來，代價也必然巨大，而且還可能誤入歧途。 

在各項優惠政策的刺激下，近年来如雨後春笋般涌現的芯片制造項目不僅出現了重複建設的問題，甚至還出現了不少爛尾工程，多個12英寸項目和8英寸項目爆雷。全民造芯的滚滚熱浪裏，需要更多理性規畫，避免不計成本的盲目追趕。 

美國在半導體產業初創時期，成功構建的可持續性創新循環或許值得我們借鑒。“可持續”指一種可以長久維持的過程或狀態，這一概念最初被用於環境保護領域，後被廣泛應用於經濟學與社會學。對於半導體企業來說，可持續性發展就是進入“技術創新-產品升級-降低成本-市場應用-企業盈利”的良性循環。 

企業先要活下來，才能實現技術的持續突破。2019年，中國集成電路設計業數量為1780家，IC設計銷售收入超過3084.9億元，在全球收入中占比10%，但是其中盈利企業僅780家。 

中國工程院院士吳漢明認為，商業成功是檢驗技數創新的唯一標準，成套工藝是芯片技數水平的集中標誌。研究是手段，產業是目的。 

新基建的浪潮掀起，人工智能、5G、工業物聯網、新型汽車電子等產業也給集成電路的發展帶來了新機遇。以人工智能為例，其芯片往往基於某一種特定應用場景進行開發，中國豐富多樣的應用場景，反哺終端企業創造各種獨一無二的解決方案。 

擺在中國芯片產業當前的關鍵問題是：如何在可持續“造芯”的基礎上，逐步赢得在全球產業分工制衡的能力，並搶先布局未來？ 

一方面，需要繼續加强基礎研究和培養本土半導體產業人才是根本，這是一個長期持續的工程。另一方面，需要加强在設計、設備方面的全球合作，而在關鍵的材料和制造工藝環節，重點支持若干團隊進行集中攻關。 

當前摩爾定律已經走到了歷史的界點，芯片製程推進到2nm之後，其它技術路線必然成為產業的突破口，能否在第三代半導體產業中占據主導地位，關鍵是看手中是否掌握領先行業的前瞻性、顛覆性技術。以面向未來的碳基芯片為例，北大教授張志勇、MIT教授Max M.Shulaker等中外多支團隊也都在集中攻關。誰能跑到前面？現在很難說得清楚。

但是提前布局顛覆性技術，也許會幫我們架起一把從背面登山的新雲梯。

作為全球最大消費店子產品生產國国、出口國和消費國，龐大的市場仍然是我們最大的优勢。中國的芯片產業，除了要夠建好下游的硬用生態，還要在一些領域做到无可替代。 

無可替代的含意，就是要在每個關鍵都有能力搭建自己的梯子，不能被别人踢掉。