芯片全球化已死，出路何在

曾文仁

德國(guó)柏林，光刻機(jī)巨頭荷蘭阿斯麥（ASML）制造廠

荷蘭方面一直抗拒與美國(guó)政府合作，認(rèn)為限制阿斯麥光刻機(jī)出口至中國(guó)內(nèi)地，不符合其商業(yè)乃至國(guó)家利益。

近日，荷蘭政府宣布一系列針對(duì)先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)備的出口管制。該國(guó)光刻機(jī)技術(shù)企業(yè)阿斯麥（ASML）是行業(yè)龍頭，自然成為外界焦點(diǎn)；同時(shí)，美國(guó)媒體引述知情人士，指美國(guó)商務(wù)部正考慮擴(kuò)大對(duì)華出口半導(dǎo)體的限制，讓芯片供應(yīng)商英偉達(dá)（NVIDIA）專為適應(yīng)限制而設(shè)的A800芯片亦納入禁令范圍?？梢灶A(yù)期，在美國(guó)推動(dòng)下，全球芯片市場(chǎng)將繼續(xù)成為國(guó)際關(guān)注的焦點(diǎn)。

沒有半導(dǎo)體，就沒法用電

日本多摩大學(xué)榮譽(yù)教授井上伸雄在《圖解半導(dǎo)體》書中，用一句話闡明了半導(dǎo)體在現(xiàn)代社會(huì)的重要性：“沒有半導(dǎo)體，就沒辦法運(yùn)用電力?！痹陔娐钒逯?，廣為人知的中央處理器（CPU）也是半導(dǎo)體的產(chǎn)品—事實(shí)上，不論是戰(zhàn)斗機(jī)、航空母艦，還是電冰箱、熱水壺，它們的運(yùn)作都需要半導(dǎo)體，以控制電流、電壓，以及作為計(jì)算、控制及記憶等功能，區(qū)別只在于運(yùn)算能力高低而已。

2012年，曾有美劇上演了這樣的情節(jié)：全球大停電的背景下，人類在電力失靈后，文明倒退，現(xiàn)代政府垮臺(tái)，城市成廢墟，現(xiàn)代科技自衛(wèi)星，甚至燈泡都成為無用之物。盡管憂慮全球電力失靈未免杞人憂天，但半導(dǎo)體的創(chuàng)新放緩、應(yīng)用電力的能力受限，是可預(yù)期有可能發(fā)生的結(jié)果。

若深入了解半導(dǎo)體的制作過程，我們更可理解芯片制造業(yè)的發(fā)展難度。芯片是指內(nèi)含集成電路的硅片，既是半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱，也是集成電路的載體。設(shè)計(jì)工程師需使用專用的設(shè)計(jì)軟件，來規(guī)劃電路的走線，而這部分一般被稱作上游制程。

按業(yè)內(nèi)知名芯片制造龍頭臺(tái)積電的說法，芯片的制程自二氧化硅組成的純凈硅砂開始，硅砂熔制為純硅后，可切片成為空白晶圓。由于硅晶圓在不同溫度下能夠傳導(dǎo)或阻絕電流，所以會(huì)在硅圓片上涂布感光涂料，并以強(qiáng)光進(jìn)行曝光顯影，來實(shí)現(xiàn)將電路設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)印到晶圓上。這道制程在晶圓表面留下電路設(shè)計(jì)圖的化學(xué)涂層，以進(jìn)行蝕刻或離子植入。

在晶圓上鍍上更多層不同的材料，并透過曝光顯影和蝕刻制程，就能制作導(dǎo)體層和絕緣層。接下來，制造商會(huì)借由化學(xué)機(jī)器研磨，移除晶圓上不需要的材料，使晶圓表面平滑，繼續(xù)制作其他導(dǎo)體層和絕緣層—這程序需要重復(fù)多次，直到半導(dǎo)體芯片制作完成。最后，在晶圓上覆蓋一層保護(hù)層。這過程通常被稱作“前段制程”，目的是在晶圓上置入晶體管等組件和配線，有400至500個(gè)流程，它是芯片制造產(chǎn)業(yè)的中游部分。而隨著技術(shù)日益改進(jìn)，流程的數(shù)目很可能逐年增加。

完成的晶圓需通過電路檢查，確保電路準(zhǔn)確無誤刻在晶圓上。至此，芯片進(jìn)入后段制程：首先，需要將晶圓切割成一顆顆半導(dǎo)體芯片，切割出來的芯片有部分質(zhì)量欠佳，制造商只會(huì)取出優(yōu)質(zhì)的芯片，這些芯片就是新聞經(jīng)常談及的7納米或5納米芯片等—簡(jiǎn)單而言，數(shù)字愈低，通常意味制程愈先進(jìn)，制造的技術(shù)難度更大，使用的機(jī)器越精密，成本亦更高。

德國(guó)博世半導(dǎo)體工廠

阿斯麥光刻機(jī)

半導(dǎo)體的創(chuàng)新放緩、應(yīng)用電力的能力受限，是可預(yù)期有可能發(fā)生的結(jié)果。

取出的芯片會(huì)進(jìn)入封裝制程，相關(guān)的工序亦被稱為下游產(chǎn)業(yè)。芯片需被固定于導(dǎo)線架之上，再透過引線接合，將芯片連接電路，再以壓模樹脂覆蓋芯片和引線，并經(jīng)過導(dǎo)線金屬鍍膜、加工，形成我們?cè)陔娐钒迳峡吹降囊粔K塊黑色塑膠物體。完成封裝后，芯片需經(jīng)過各種測(cè)試、檢查，全部合格后，方可成為可出售的芯片。

上述的說法是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的描述。芯片制造的每道工序的技術(shù)含量極高，且不同種類芯片的技術(shù)要求，亦不盡相同。同時(shí)，在芯片制造的過程中，“良率”（yields）的概念非常重要：制作流程里，不可能每一工序都百分百成功，有一些部分出現(xiàn)瑕疵亦屬正常。然而每一工序都有一定比例的瑕疵，而每經(jīng)過一道工序，合格的產(chǎn)品數(shù)目會(huì)持續(xù)減少。

AMD公司7nm晶圓

芯片原本無所不在，而限制其流動(dòng)，將會(huì)使它成長(zhǎng)放緩甚至停止。

市場(chǎng)很重視芯片制造商的生產(chǎn)良率，每一次“良率”看似小幅度的提升，都意味著合格的產(chǎn)品大量增加，制造成本亦能大幅下降。

產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)繁復(fù)

大致了解制程后，我們就可以厘清芯片產(chǎn)業(yè)常見企業(yè)的關(guān)系，稍微弄清楚所謂“卡脖子”是怎么一回事。要知道，芯片制造是一個(gè)高度分工的產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)相當(dāng)繁復(fù)，從事行業(yè)的工程師甚至企業(yè)，大多聚焦整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的一小部分，難以全面涵蓋整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。所以，單從臺(tái)積電等龍頭企業(yè)高薪挖角數(shù)名中高層主管，并不能突破芯片技術(shù)瓶頸。

舉例而言，美國(guó)的英偉達(dá)、AMD、高通，中國(guó)臺(tái)灣的聯(lián)發(fā)科和華為旗下的海思半導(dǎo)體，主要是芯片設(shè)計(jì)的上游產(chǎn)業(yè)；臺(tái)積電則聚焦前段制程的代工，而荷蘭的阿斯麥則主營(yíng)用作晶圓加工的光刻機(jī)；深圳的鵬芯微、在香港上市的中芯國(guó)際亦經(jīng)營(yíng)芯片制造業(yè)務(wù)，可被歸類為產(chǎn)業(yè)的中游。

部分大型企業(yè)如臺(tái)積電亦具備下游工序的技術(shù)，而臺(tái)灣的日月光則專門提供封裝與測(cè)試服務(wù)，同屬下游產(chǎn)業(yè)。這些企業(yè)生產(chǎn)的芯片，會(huì)售予蘋果、谷歌、特斯拉等明星企業(yè)，生產(chǎn)我們常見的電腦、手機(jī)或其他電子產(chǎn)品。

有來自中國(guó)的頭部芯片企業(yè)曾公開表示，“芯片的設(shè)計(jì)當(dāng)前中國(guó)已經(jīng)步入世界領(lǐng)先……芯片的制造中國(guó)也是世界第一，在臺(tái)灣”；大陸的芯片制造缺乏制造設(shè)備、基礎(chǔ)工業(yè)及化學(xué)工業(yè)。

即便是美國(guó)，亦不能以一國(guó)之力全面掌控整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)鏈。近年，拜登政府四處奔走荷蘭、日本、韓國(guó)政府尋求合作。美國(guó)政府去年推出的《芯片和科學(xué)法案》（CHIPS and Science Act 2022）斥巨資扶助的企業(yè)，亦非全部為美國(guó)企業(yè)，國(guó)外企業(yè)如臺(tái)積電、三星也是它的爭(zhēng)取對(duì)象，條件是任何接受資金的企業(yè)，必須在美國(guó)本土制造他們研發(fā)的產(chǎn)品。

事實(shí)上，荷蘭方面一直抗拒與美國(guó)政府合作，認(rèn)為限制阿斯麥光刻機(jī)出口至中國(guó)內(nèi)地，不符合商業(yè)乃至國(guó)家利益；臺(tái)積電亦因法案規(guī)定，企業(yè)需應(yīng)政府要求，提供關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)，生怕競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星從中獲得關(guān)鍵技術(shù)，繼而猶豫再三。

2022年12月29日，中國(guó)臺(tái)灣，臺(tái)積電新廠落成，3nm芯片開始批量生產(chǎn)

《芯片和科學(xué)法案》另一受關(guān)注的要求，是受資助企業(yè)至少十年內(nèi)，不得在中國(guó)或其他受關(guān)注國(guó)家進(jìn)行新的高科技投資。換言之，接受美國(guó)政府資助的芯片企業(yè)，將不可能成為中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的助力。

盡管全球企業(yè)不一定需要美國(guó)政府的資金，但不少討論認(rèn)為，全球各大芯片龍頭為免遭受美國(guó)政府以國(guó)家安全之名打壓，亦只能不情不愿加入其計(jì)劃。而受限制的芯片企業(yè)，日后在國(guó)際尋找先進(jìn)制程的合作伙伴時(shí)，范圍只得縮小至其他相對(duì)不那么發(fā)達(dá)的地區(qū)，其中的技術(shù)水平不言而喻。

走全球協(xié)作之路

今年3月，臺(tái)積電創(chuàng)辦人張忠謀與《芯片戰(zhàn)爭(zhēng)》作者克里斯·米勒的對(duì)談中，不乏值得我們細(xì)思之處。張忠謀談及芯片的全球化已死，因芯片制造商到美國(guó)設(shè)廠，對(duì)業(yè)界完全沒幫助，只會(huì)使成本上升。芯片原本無所不在，而限制其流動(dòng)，將會(huì)使它成長(zhǎng)放緩甚至停止。

克里斯·米勒亦指出，從半導(dǎo)體的國(guó)際分工而言，很難有一個(gè)國(guó)家能夠自給自足，最后可能花很多錢，也不會(huì)做得較好；從頭到尾打造晶圓代工產(chǎn)業(yè)殊不簡(jiǎn)單。

張忠謀另一對(duì)美國(guó)政府的評(píng)論，亦甚具參考價(jià)值。去年，美國(guó)眾議院議長(zhǎng)佩洛西竄訪臺(tái)灣時(shí)，張忠謀向佩洛西和其他美國(guó)議員表示，若美國(guó)以為靠花大錢就可以進(jìn)占芯片全球最復(fù)雜的電子制造市場(chǎng)，那就太天真了。

兩人的評(píng)論亦可預(yù)視，中國(guó)芯片制造應(yīng)發(fā)展的方向：全球協(xié)作。追求芯片自給自足，目前既不可行，亦不經(jīng)濟(jì)，更無優(yōu)勢(shì)。

以美國(guó)的國(guó)力，透過“大撒幣”追求芯片制造自給自足，尚且困難重重，其他國(guó)家嘗試以相似手法發(fā)展本土芯片產(chǎn)業(yè)，無疑是緣木求魚。發(fā)展技術(shù)密集且高度分工的芯片產(chǎn)業(yè)，我們應(yīng)該秉持全球協(xié)作精神，各自發(fā)展自身的比較優(yōu)勢(shì)，在商業(yè)主導(dǎo)的國(guó)際分工下把餅做大，共同推動(dòng)產(chǎn)業(yè)、科技的發(fā)展。

責(zé)任編輯吳陽煜 wyy@nfcmag.com