搶建半導(dǎo)體工廠

2020 年，由于新冠病毒的出現(xiàn)，遠程工作、在線學(xué)習(xí)、在線購物的需求開始呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，這導(dǎo)致2021年全球半導(dǎo)體短缺。此外，“誰控制半導(dǎo)體，誰控制世界”的熱潮已經(jīng)到來，在全球范圍內(nèi)掀起興建半導(dǎo)體工廠的熱潮。

它以明確的數(shù)字表示。圖1顯示了全球以及每個國家和地區(qū)的半導(dǎo)體工廠開工數(shù)量。放眼全球，2021-2023年將開工建設(shè)85家工廠，而2018-2020年為64家。

圖 1 全球和每個國家/地區(qū)已開工建設(shè)的半導(dǎo)體工廠數(shù)量

特別是美國（3→18）、歐洲（7→18）、日本（3→6）、東南亞（1→6）工廠開工數(shù)量大幅增加。另一方面，相比之下，中國的工廠開工數(shù)量（34→20）將急劇下降（括號中的數(shù)字表示2018-2020和2021-2023年的開工數(shù)量）。

本文重點關(guān)注美國的半導(dǎo)體政策，并討論它如何影響或預(yù)計將影響世界。

預(yù)測結(jié)論如下。美國于2022年10月7日公布的對華條例（以下簡稱“2022.10.7”條例）是不同維度的強硬措施，將對中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)造成巨大傷害。筆者推測，臺積電決定在美國、日本和德國建代工廠，就是為了分散產(chǎn)能，以防出現(xiàn)這種情況。

第一個轉(zhuǎn)折點“2020年5月14日”

以超過50%的市場占有率在半導(dǎo)體代工領(lǐng)域獨領(lǐng)風(fēng)騷，在尖端微型化領(lǐng)域走在前列的臺積電，原本無意在美國建廠，因為美國的半導(dǎo)體生產(chǎn)比中國臺灣貴 50%。

然而，2020年5月14日，臺積電宣布將投資120億美元在美國亞利桑那州建設(shè)5nm半導(dǎo)體工廠。他們可能是在多次受到美國政府的邀請，并得到提供大量補貼的承諾后，才決定進軍美國的。同樣在同一天，臺積電決定在同年9月14日之后，不再向以5G通信基站征服世界的華為出貨半導(dǎo)體。

從臺積電各地區(qū)的出貨額比例來看，包括Apple、Qualcomm、Broadcom、NVIDIA、AMD等大客戶在內(nèi)的美國比例在60%~70%甚至更高（圖2）。另一方面，華為是僅次于蘋果的第二大客戶，2020年Q2在中國的份額為22%，但隨著臺積電停止向華為出貨，同年Q3份額跌至6%。由于無法從臺積電采購芯片，華為的智能手機和 5G 基站業(yè)務(wù)受到重創(chuàng)。

圖 2 臺積電各地區(qū)銷售額比例（截至 2022 年第 3 季度）

“2020 年 5 月 14 日”，當(dāng)該公司進入亞利桑那州并暫停向華為出貨時，是臺積電加入美國的日子，被認(rèn)為是半導(dǎo)體歷史的轉(zhuǎn)折點。

美國 CHIPS 法案的頒布

2022年8月9日，在“2020年5月14日”兩年多之后，美國總統(tǒng)拜登簽署了《芯片與科學(xué)法案》（CHIPS Act），這是一部促進半導(dǎo)體國內(nèi)制造的法律正式成立。CHIPS 法案包括對美國半導(dǎo)體制造和研發(fā)的 527 億美元補貼。

圖 3 美國 CHIPS 法案補貼的主要候選制造商

美國英特爾將在亞利桑那州和俄亥俄州投資20-300億美元建設(shè)處理器工廠和代工廠。受美國政府邀請的臺積電，原計劃投資120億美元，在亞利桑那州建設(shè)月產(chǎn)能2萬片晶圓的5納米晶圓代工廠。但在“2022/10/7”規(guī)定公布后，決定量產(chǎn)4nm，即5nm的改進版，而不是5nm，并建設(shè)第二個3nm工廠。月產(chǎn)能將達到5.5萬張，投資金額將增加3.3倍至400億美元。

與此同時，想要在晶圓代工領(lǐng)域趕超臺積電的三星，將投資170億美元在德克薩斯州建設(shè)3nm晶圓代工廠。包括SK海力士在內(nèi)的SK集團計劃向半導(dǎo)體研發(fā)中心和清潔能源投資總計220億美元。

英特爾等宣布，每100億美元可以補貼30億美元。因此，這些半導(dǎo)體制造商迫切希望根據(jù) CHIPS 法案獲得補貼。

問題浮出水面

然而，一個大問題浮出水面。與CHIPS法案同時出臺的還有一份名為《CHIPS法案將降低成本、創(chuàng)造就業(yè)、強化供應(yīng)鏈》的簡報，據(jù)透露存在“護欄”。

為確保美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的競爭力得到保護，其“護欄”規(guī)定“受補貼的公司將在未來 10 年內(nèi)被禁止投資/擴建中國最先進的芯片制造設(shè)施（28 納米及以上）?！?/p>有了這個“護欄”，臺積電在中國南京工廠生產(chǎn)40-16nm邏輯半導(dǎo)體，三星在中國西安工廠生產(chǎn)3D NAND閃存，在中國無錫工廠生產(chǎn)DRAM，英特爾在中國大連的工廠生產(chǎn) 3D NAND 的 SK 海力士，如果根據(jù) CHIPS 法獲得補貼，在未來 10 年內(nèi)將無法對上述中國工廠進行任何投資（1 年暫緩，但不是真正的解決方案）。

其中，臺積電在中國的南京工廠占公司產(chǎn)量不到10%，但三星西安工廠生產(chǎn)的3D NAND占公司產(chǎn)量的40%左右。SK海力士的大連工廠約占公司3D NAND的30%，無錫工廠約占公司DRAM的50%。

如果三星和 SK 海力士根據(jù) CHIPS 法案獲得補貼，它們將無法在中國投資先進或增產(chǎn)的內(nèi)存工廠。半導(dǎo)體存儲器在兩年內(nèi)保持了一代領(lǐng)先優(yōu)勢，保持了競爭力。因此，對存儲器制造商說“不要投資”等同于被告知“去死”。因此，這些韓國廠商陷入了不得不考慮退出中國的境地。

但是，這些韓國廠商在中國有著巨大的市場，而且是應(yīng)中國政府的要求，在中國的優(yōu)惠待遇下生產(chǎn)內(nèi)存。因此，不可能輕易退出?？傊?，在中美拉鋸戰(zhàn)中，三星和SK海力士面臨著極其艱難的選擇。

第二個轉(zhuǎn)折點“2022.10.7”

2022年10月7日，美國宣布對中國實施與以往不同維度的嚴(yán)厲出口管制，“2022年10月7日”。以下是出口限制等，特別是與半導(dǎo)體制造相關(guān)的出口限制。

1.美國在“2022 年 10 月 7 日”條例中的目的是遏制中國超級計算機和可用于軍事技術(shù)的 AI 半導(dǎo)體的發(fā)展。

2.禁止出口中國將用于超級計算機和人工智能的高性能半導(dǎo)體（包括 NVIDIA GPU 和 AMD CPU，以及在美國境外使用美國技術(shù)制造的半導(dǎo)體）。

3.此外，為防止中國研發(fā)和制造先進半導(dǎo)體，禁止出口美國設(shè)備（包括其零部件和材料），禁止美國人員（高管、工程師、現(xiàn)場工程師等）參與。

4.尤其是監(jiān)管網(wǎng)被應(yīng)用到半導(dǎo)體成膜設(shè)備上，此前一直沒有受到太多關(guān)注。出口受制于規(guī)定的薄膜沉積設(shè)備時，必須獲得美國政府的許可（無論是針對先進半導(dǎo)體制造商還是非先進制造商）。

5.此外，將禁止向中國半導(dǎo)體制造設(shè)備制造商出口美國制造的零部件和材料。這與設(shè)備制造商是否為尖端半導(dǎo)體無關(guān)。

6.在中國的外國半導(dǎo)體制造商（臺積電、三星、SK 海力士）也將受到監(jiān)管。

這里，“3”中的先進半導(dǎo)體定義為16/14nm或更晚的邏輯半導(dǎo)體、18nm或更晚的半間距DRAM和128層或更多層的三維NAND。

美國設(shè)備制造商 Applied Materials (AMAT)、Lam Research (Lam) 和 KLA 向這些先進半導(dǎo)體制造商出口設(shè)備將被禁止。另外，ASML的曝光設(shè)備，其光源由美國Cymer制造，也極有可能被禁止出口。此外，美國盟友日本東京電子公司（TEL）的設(shè)備也可能被禁止。

“2022.10.7”法規(guī)對中國半導(dǎo)體行業(yè)的影響

圖4顯示了各公司在前端設(shè)備中的份額?？梢钥闯觯绹?、日本和歐洲的設(shè)備制造商在各個領(lǐng)域都占據(jù)著市場份額。在這種情況下，“2022.10.7”規(guī)定將產(chǎn)生怎樣的影響？

圖4 各公司各前段制程設(shè)備市場占有率（2021年）

首先，中芯國際等尖端半導(dǎo)體廠商將無力新建工廠。這是因為禁止向尖端半導(dǎo)體制造商出口非先進設(shè)備（甚至禁止辦公家具）。

其次，如上節(jié)“4”所述，出口半導(dǎo)體成膜設(shè)備時，必須獲得美國政府的許可。在圖4中，AMAT和Lam CVD設(shè)備（總份額66.2%）和AMAT濺射設(shè)備（86%份額）屬于此類。令人驚訝的是，這些薄膜沉積設(shè)備的規(guī)定非常詳細(xì)，包括材料（Cu、Co、Ru、TiN、W等）、工藝條件（壓力、溫度、氣體等）、薄膜厚度等。目前是許可制而不是禁運，但好像隨時都可能被禁運。

到目前為止，美國對中國的監(jiān)管主要集中在小型化方面，例如“禁止能夠制造 16/14 納米或更高版本的設(shè)備”。但是，“2022.10.7”規(guī)定不僅適用于微細(xì)加工相關(guān)的曝光設(shè)備和干法刻蝕設(shè)備，還適用于成膜設(shè)備。如果沉積設(shè)備的出口申請未獲批準(zhǔn)（這似乎很有可能），中國半導(dǎo)體制造商（先進和非先進）將不得不建設(shè)新工廠。變得困難。如果發(fā)生這種情況，許多將在2021年至2023年開始建設(shè)的中國半導(dǎo)體工廠，如開頭圖1所示，將無法安裝設(shè)備，無法制造半導(dǎo)體。

此外，“2022.10.7”規(guī)定禁止美國制造的各種設(shè)備耗材出口，美國現(xiàn)場工程師再也無法支持設(shè)備運行。

例如，在一個月產(chǎn)10萬片硅片的半導(dǎo)體工廠里，有500到1000臺各類設(shè)備在運轉(zhuǎn)。由于這些都是精密設(shè)備，只有各設(shè)備制造商的現(xiàn)場工程師進行故障排除和定期維護，才能正常運行。

當(dāng)現(xiàn)場工程師離開且耗材部件不再可用時，設(shè)備最終將停止工作。這意味著半導(dǎo)體工廠關(guān)閉。換言之，可以說“2022.10.7”規(guī)定可能會導(dǎo)致目前正在運營的中國半導(dǎo)體工廠停工。

那么，中國能否研發(fā)國產(chǎn)設(shè)備，制造半導(dǎo)體，就成了難點。

對設(shè)備制造商和材料制造商的影響

“2022年10月7日”規(guī)定對于中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說將是一劑致命的毒藥，但對美國、日本和歐洲的設(shè)備制造商和材料制造商的損害也將是巨大的。圖 5顯示了各地區(qū)設(shè)備市場的趨勢。2020年以來，中國的設(shè)備市場已經(jīng)超過中國臺灣和韓國，成為全球第一大設(shè)備市場。

圖 5 各地區(qū)半導(dǎo)體制造設(shè)備市場（至 2021 年）

2021年中國296.2億美元，韓國249.8億美元，中國臺灣249.4億美元，日本78.0億美元，美國76.1億美元，歐洲32.5億美元，中國市場還包括臺積電、三星和SK海力士工廠）。

但是，由于“2022.10.7”的規(guī)定，在中國建立新的（尤其是尖端的）半導(dǎo)體工廠將變得困難重重。因此，中國的設(shè)備市場將大大減少。我預(yù)計損失約為 100 億美元。而如果中國的設(shè)備市場快速萎縮，美國、日本、歐洲的所有設(shè)備制造商的銷售額都會下降。設(shè)備銷售額較大的AMAT、ASML、TEL、Lam和KLA預(yù)計將出現(xiàn)數(shù)億至數(shù)十億美元的下滑。

此外，在中國，不僅不可能新建半導(dǎo)體工廠，現(xiàn)有的半導(dǎo)體工廠也有可能停產(chǎn)。如果發(fā)生這種情況，晶圓、抗蝕劑、CMP漿料和各種化學(xué)品等材料業(yè)務(wù)將受到很大損害。如圖6所示，日本企業(yè)在半導(dǎo)體材料市場占有率高的領(lǐng)域有很多。因此，對于日本的材料制造商來說，這將是一個艱難的局面。

圖6 各公司前處理材料市場份額及日本市場份額（2020年）

2022年12月6日在臺積電亞利桑那工廠舉行開工儀式時，臺積電創(chuàng)始人張忠謀說，“全球主義自由貿(mào)易幾乎死了，很多人希望它能再次復(fù)活，但我認(rèn)為不會?！?/p>考慮到“2022.10.7”規(guī)定的內(nèi)容，有不同程度的嚴(yán)苛，影響之大，我不得不同意張忠謀先生的說法。

為什么臺積電要在美國、日本和德國建廠

如前所述，臺積電將在美國亞利桑那州建設(shè)中的工廠制造4nm，即5nm的改進版，同時還將建設(shè)第二座3nm工廠?？傇庐a(chǎn)能為5.5萬張，總投資為400億美元，是初始投資額的3.3倍（圖7）。

圖7 臺積電各地區(qū)半導(dǎo)體產(chǎn)能

此外，臺積電目前正在日本熊本建設(shè)28/22~16/14nm工廠，并浮出水面建設(shè)第二工廠的談判。有傳言稱，第二家工廠將是7nm先進半導(dǎo)體。此外，臺積電正考慮投資數(shù)十億美元在德國建設(shè)28/22納米晶圓廠。

為什么臺積電要在美國、日本和德國建廠？一開始，臺積電應(yīng)該是不愿意在其他國家或地區(qū)建代工廠的。然而，一個完整的轉(zhuǎn)折點，決定在美國、日本和德國建立代工廠。

這樣做的原因現(xiàn)在應(yīng)該很清楚了。由于美國宣布過于嚴(yán)格的“2022年10月7日”規(guī)定。臺積電決定將其半導(dǎo)體生產(chǎn)基地分布到其他國家和地區(qū)（有保險的意思）。

現(xiàn)代人類文明是由半導(dǎo)體支撐的。其中，7nm及一下尖端半導(dǎo)體有92%由臺積電制造，因此臺積電極為重要。沒有臺積電的尖端技術(shù)，就無法制造最新的iPhone、高性能計算機和人工智能半導(dǎo)體。人類文明的進步，離不開臺積電的微細(xì)加工技術(shù)。

*聲明：本文系原作者創(chuàng)作。文章內(nèi)容系其個人觀點，我方轉(zhuǎn)載僅為分享與討論，不代表我方贊成或認(rèn)同，如有異議，請聯(lián)系后臺。