搶建半導(dǎo)體工廠

2020 年，由于新冠病毒的出現(xiàn)，遠(yuǎn)程工作、在線學(xué)習(xí)、在線購(gòu)物的需求開始呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，這導(dǎo)致2021年全球半導(dǎo)體短缺。此外，“誰(shuí)控制半導(dǎo)體，誰(shuí)控制世界”的熱潮已經(jīng)到來(lái)，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(gè)國(guó)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(gè)國(guó)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(guó)（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(guó)的工廠開工數(shù)量（34→20）將急劇下降（括號(hào)中的數(shù)字表示2018-2020和2021-2023年的開工數(shù)量）。

本文重點(diǎn)關(guān)注美國(guó)的半導(dǎo)體政策，并討論它如何影響或預(yù)計(jì)將影響世界。

預(yù)測(cè)結(jié)論如下。美國(guó)于2022年10月7日公布的對(duì)華條例（以下簡(jiǎn)稱“2022.10.7”條例）是不同維度的強(qiáng)硬措施，將對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)造成巨大傷害。筆者推測(cè)，臺(tái)積電決定在美國(guó)、日本和德國(guó)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(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)“2020年5月14日”

以超過(guò)50%的市場(chǎng)占有率在半導(dǎo)體代工領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，在尖端微型化領(lǐng)域走在前列的臺(tái)積電，原本無(wú)意在美國(guó)建廠，因?yàn)槊绹?guó)的半導(dǎo)體生產(chǎn)比中國(guó)臺(tái)灣貴 50%。

然而，2020年5月14日，臺(tái)積電宣布將投資120億美元在美國(guó)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(guó)政府的邀請(qǐng)，并得到提供大量補(bǔ)貼的承諾后，才決定進(jìn)軍美國(guó)的。同樣在同一天，臺(tái)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(tái)積電各地區(qū)的出貨額比例來(lái)看，包括Apple、Qualcomm、Broadcom、NVIDIA、AMD等大客戶在內(nèi)的美國(guó)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(guó)的份額為22%，但隨著臺(tái)積電停止向華為出貨，同年Q3份額跌至6%。由于無(wú)法從臺(tái)積電采購(gòu)芯片，華為的智能手機(jī)和 5G 基站業(yè)務(wù)受到重創(chuàng)。

圖 2 臺(tái)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(jìn)入亞利桑那州并暫停向華為出貨時(shí)，是臺(tái)積電加入美國(guó)的日子，被認(rèn)為是半導(dǎo)體歷史的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

美國(guó) 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(guó)總統(tǒng)拜登簽署了《芯片與科學(xué)法案》（CHIPS Act），這是一部促進(jìn)半導(dǎo)體國(guó)內(nèi)制造的法律正式成立。CHIPS 法案包括對(duì)美國(guó)半導(dǎo)體制造和研發(fā)的 527 億美元補(bǔ)貼。

圖 3 美國(guó) CHIPS 法案補(bǔ)貼的主要候選制造商

美國(guó)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(guó)政府邀請(qǐng)的臺(tái)積電，原計(jì)劃投資120億美元，在亞利桑那州建設(shè)月產(chǎn)能2萬(wàn)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(jìn)版，而不是5nm，并建設(shè)第二個(gè)3nm工廠。月產(chǎn)能將達(dá)到5.5萬(wàn)張，投資金額將增加3.3倍至400億美元。

與此同時(shí)，想要在晶圓代工領(lǐng)域趕超臺(tái)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(tuán)計(jì)劃向半導(dǎo)體研發(fā)中心和清潔能源投資總計(jì)220億美元。

英特爾等宣布，每100億美元可以補(bǔ)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(bǔ)貼。

問(wèn)題浮出水面

然而，一個(gè)大問(wèn)題浮出水面。與CHIPS法案同時(shí)出臺(tái)的還有一份名為《CHIPS法案將降低成本、創(chuàng)造就業(yè)、強(qiáng)化供應(yīng)鏈》的簡(jiǎn)報(bào)，據(jù)透露存在“護(hù)欄”。

為確保美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力得到保護(hù)，其“護(hù)欄”規(guī)定“受補(bǔ)貼的公司將在未來(lái) 10 年內(nèi)被禁止投資/擴(kuò)建中國(guó)最先進(jìn)的芯片制造設(shè)施（28 納米及以上）?！?/p>有了這個(gè)“護(hù)欄”，臺(tái)積電在中國(guó)南京工廠生產(chǎn)40-16nm邏輯半導(dǎo)體，三星在中國(guó)西安工廠生產(chǎn)3D NAND閃存，在中國(guó)無(wú)錫工廠生產(chǎn)DRAM，英特爾在中國(guó)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(bǔ)貼，在未來(lái) 10 年內(nèi)將無(wú)法對(duì)上述中國(guó)工廠進(jìn)行任何投資（1 年暫緩，但不是真正的解決方案）。

其中，臺(tái)積電在中國(guó)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(wú)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(bǔ)貼，它們將無(wú)法在中國(guó)投資先進(jìn)或增產(chǎn)的內(nèi)存工廠。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器在兩年內(nèi)保持了一代領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，保持了競(jìng)爭(zhēng)力。因此，對(duì)存儲(chǔ)器制造商說(shuō)“不要投資”等同于被告知“去死”。因此，這些韓國(guó)廠商陷入了不得不考慮退出中國(guó)的境地。

但是，這些韓國(guó)廠商在中國(guó)有著巨大的市場(chǎng)，而且是應(yīng)中國(guó)政府的要求，在中國(guó)的優(yōu)惠待遇下生產(chǎn)內(nèi)存。因此，不可能輕易退出。總之，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(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)“2022.10.7”

2022年10月7日，美國(guó)宣布對(duì)中國(guó)實(shí)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(guó)在“2022 年 10 月 7 日”條例中的目的是遏制中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)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(guó)將用于超級(jí)計(jì)算機(jī)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(guó)境外使用美國(guó)技術(shù)制造的半導(dǎo)體）。

3.此外，為防止中國(guó)研發(fā)和制造先進(jìn)半導(dǎo)體，禁止出口美國(guó)設(shè)備（包括其零部件和材料），禁止美國(guó)人員（高管、工程師、現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，必須獲得美國(guó)政府的許可（無(wú)論是針對(duì)先進(jìn)半導(dǎo)體制造商還是非先進(jìn)制造商）。

5.此外，將禁止向中國(guó)半導(dǎo)體制造設(shè)備制造商出口美國(guó)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(wú)關(guān)。

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

這里，“3”中的先進(jìn)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(guó)設(shè)備制造商 Applied Materials (AMAT)、Lam Research (Lam) 和 KLA 向這些先進(jìn)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(guó)Cymer制造，也極有可能被禁止出口。此外，美國(guó)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(duì)中國(guó)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?guó)、日本和歐洲的設(shè)備制造商在各個(gè)領(lǐng)域都占據(jù)著市場(chǎng)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(chǎng)占有率（2021年）

首先，中芯國(guó)際等尖端半導(dǎo)體廠商將無(wú)力新建工廠。這是因?yàn)榻瓜蚣舛税雽?dǎo)體制造商出口非先進(jìn)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(shí)，必須獲得美國(guó)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(yùn)，但好像隨時(shí)都可能被禁運(yùn)。

到目前為止，美國(guó)對(duì)中國(guó)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(qǐng)未獲批準(zhǔn)（這似乎很有可能），中國(guó)半導(dǎo)體制造商（先進(jìn)和非先進(jìn)）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(guó)半導(dǎo)體工廠，如開頭圖1所示，將無(wú)法安裝設(shè)備，無(wú)法制造半導(dǎo)體。

此外，“2022.10.7”規(guī)定禁止美國(guó)制造的各種設(shè)備耗材出口，美國(guó)現(xiàn)場(chǎng)工程師再也無(wú)法支持設(shè)備運(yùn)行。

例如，在一個(gè)月產(chǎn)10萬(wàn)片硅片的半導(dǎo)體工廠里，有500到1000臺(tái)各類設(shè)備在運(yùn)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(chǎng)工程師進(jìn)行故障排除和定期維護(hù)，才能正常運(yùn)行。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工程師離開且耗材部件不再可用時(shí)，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(shuō)“2022.10.7”規(guī)定可能會(huì)導(dǎo)致目前正在運(yùn)營(yíng)的中國(guó)半導(dǎo)體工廠停工。

那么，中國(guó)能否研發(fā)國(guó)產(chǎn)設(shè)備，制造半導(dǎo)體，就成了難點(diǎn)。

對(duì)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(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)將是一劑致命的毒藥，但對(duì)美國(guó)、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(chǎng)的趨勢(shì)。2020年以來(lái)，中國(guó)的設(shè)備市場(chǎng)已經(jīng)超過(guò)中國(guó)臺(tái)灣和韓國(guó)，成為全球第一大設(shè)備市場(chǎng)。

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

2021年中國(guó)296.2億美元，韓國(guó)249.8億美元，中國(guó)臺(tái)灣249.4億美元，日本78.0億美元，美國(guó)76.1億美元，歐洲32.5億美元，中國(guó)市場(chǎng)還包括臺(tái)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(guó)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(guó)的設(shè)備市場(chǎng)將大大減少。我預(yù)計(jì)損失約為 100 億美元。而如果中國(guó)的設(shè)備市場(chǎng)快速萎縮，美國(guó)、日本、歐洲的所有設(shè)備制造商的銷售額都會(huì)下降。設(shè)備銷售額較大的AMAT、ASML、TEL、Lam和KLA預(yù)計(jì)將出現(xiàn)數(shù)億至數(shù)十億美元的下滑。

此外，在中國(guó)，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(chǎng)占有率高的領(lǐng)域有很多。因此，對(duì)于日本的材料制造商來(lái)說(shuō)，這將是一個(gè)艱難的局面。

圖6 各公司前處理材料市場(chǎng)份額及日本市場(chǎng)份額（2020年）

2022年12月6日在臺(tái)積電亞利桑那工廠舉行開工儀式時(shí)，臺(tái)積電創(chuàng)始人張忠謀說(shuō)，“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(huì)?！?/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(shuō)法。

為什么臺(tái)積電要在美國(guó)、日本和德國(guó)建廠

如前所述，臺(tái)積電將在美國(guó)亞利桑那州建設(shè)中的工廠制造4nm，即5nm的改進(jìn)版，同時(shí)還將建設(shè)第二座3nm工廠。總月產(chǎn)能為5.5萬(wàn)張，總投資為400億美元，是初始投資額的3.3倍（圖7）。

圖7 臺(tái)積電各地區(qū)半導(dǎo)體產(chǎn)能

此外，臺(tái)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(jìn)半導(dǎo)體。此外，臺(tái)積電正考慮投資數(shù)十億美元在德國(guó)建設(shè)28/22納米晶圓廠。

為什么臺(tái)積電要在美國(guó)、日本和德國(guó)建廠？一開始，臺(tái)積電應(yīng)該是不愿意在其他國(guó)家或地區(qū)建代工廠的。然而，一個(gè)完整的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，決定在美國(guó)、日本和德國(guó)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(guó)宣布過(guò)于嚴(yán)格的“2022年10月7日”規(guī)定。臺(tái)積電決定將其半導(dǎo)體生產(chǎn)基地分布到其他國(guó)家和地區(qū)（有保險(xiǎn)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(tái)積電制造，因此臺(tái)積電極為重要。沒有臺(tái)積電的尖端技術(shù)，就無(wú)法制造最新的iPhone、高性能計(jì)算機(jī)和人工智能半導(dǎo)體。人類文明的進(jìn)步，離不開臺(tái)積電的微細(xì)加工技術(shù)。

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