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美国半导体制造业正在复苏吗?是否要借鉴中国的模式?

2020-08-14 13:01:33 来源:EETOP编译自semiwiki
最近有两则消息让美国半导体制造领域的人兴奋不已。首先是台积电宣布打算在亚利桑那州投资120亿美元的Fab。然后是美国两党提出的联邦政府对半导体制造业投资230亿美元的建议。

这可能带来什么影响,它能否有意义地改变半导体晶圆厂的格局?

半导体制造简史

美国是半导体的发源地,从20世纪40年代Shockly发明晶体管,催生了仙童半导体这样的早期领军企业,进而催生了英特尔这样的传奇企业。在每个半导体公司都自己制造设备、晶圆厂成本只有几百万美元的年代,制造基地如雨后春笋般涌现,硅谷由此得名。

80年代,日本开始大力投资晶圆厂,美国开始失去在行业中的领先地位。日本人应用他们的质量和制造实力主导了内存芯片等细分市场,推动了英特尔在80年代中期从内存芯片转向微处理器。然而,更大的转变发生在90年代,通过代工厂和无晶圆厂设计公司的出现。在台积电和联电等公司的带领下,他们使许多规模较小的晶圆厂不再具有成本效益。与此同时,像三星这样的韩国财阀公司也开始大力投资制造,现在三星和Hynix两家韩国公司主导了内存芯片市场。美国现在生产的IC芯片不到全球的12%。

2014年中国决定半导体制造事关国家安全,开始实施一个雄心勃勃的"大基金 "200亿美元以上的计划,要把中国从一个市场份额不到10%的小角色变成一个与韩国、中国台湾以及美国对抗的全球巨头。2019年,宣布成立大基金二期,规模是之前基金的两倍。除此之外,地方政府实体将自己的基金投资于地方项目,国有银行提供廉价资金。目前中国大陆IC产量已经和美国差不多,约占全球产量的12%。

当今美国的芯片制造

经过一波整合和外包浪潮之后,大多数美国公司都退出了制造业竞赛。只剩下三家主要公司:英特尔,美光和全球晶圆代工厂(GF)。GF甚至不是由阿联酋主权财富基金Mubadala私有的真正的美国公司。每个人都有自己的利基市场,彼此之间不竞争。英特尔是IDM(集成设备制造商),并为PC和服务器生产微处理器。美光公司生产存储芯片(NAND和DRAM),顾名思义,Global Foundries是无晶圆厂芯片公司的合同制造商。但是半导体制造是一项全球业务,所有这三家公司都运营着全球晶圆厂。英特尔通常在美国,爱尔兰和以色列之间轮换新的晶圆厂。美光公司在日本和台湾经营晶圆厂,最新一笔巨额投资是在新加坡。GF在德国和新加坡也设有工厂。

在经历了一波整合和外包之后,大多数美国公司已经退出了制造业的竞争。现在只剩下三家大公司。英特尔、美光和Global Foundries (GF)。GF甚至不是一家真正的美国公司,被阿联酋的主权财富基金Mubadala私人拥有。各自有自己的定位,互不竞争。英特尔是IDM(Integrate Device Manufacturer),生产个人电脑和服务器的微处理器。美光生产内存芯片(NAND和DRAM),Global Foundries,顾名思义,是无晶圆厂芯片公司的合同制造商。但半导体制造是一项全球性的业务,这三家公司都在经营全球晶圆厂。英特尔经常在美国、爱尔兰和以色列之间轮换新的晶圆厂。美光在日本和台湾经营晶圆厂,最近一次大规模投资是在新加坡。GF在德国和新加坡也有工厂。

最先进的半导体Fab所涉及的关键要素

1.  持续的资本投资。一座最先进的晶圆厂现在的成本在100亿美元以上。2019年半导体制造商的资本支出总额为1020亿美元。而为了保持摩尔定律的相关性,企业必须每两年向市场推出新的技术节点。在这种规模下,一次性提升230亿美元并不能改变美国的游戏规则。此外,还有一个补贴的结构问题。过去,比如在太阳能行业,美国的模式是利用税法通过抵扣、减税等方式进行某种复杂的结构。这是一种低效率的资本配置方式。

2. 工程人才。美国大学培养了大量的工程专业毕业生,美国仍然是世界人才的理想目的地(尽管政府最近采取了一些措施来改变这种状况)。新晶圆厂的人员配置应该不是问题。

3.基础设施。土地、稳定的电网、供水、交通基础设施都是必不可少的。从这个角度看,美国作为发达国家并不缺乏。

4. 供应链。半导体的供应链和最终产品一样,都是全球性的。一个国家要想在制造方面完全自给自足是非常困难的,甚至是不可能的。美国在生产设备等一些关键的构件上有很好的优势,最大的供应商应用材料(AMAT)、泛林(LAM)和科磊(KLA)都是美国公司。但即使这样,荷兰的ASML公司也垄断了关键的光刻步骤。在材料方面更是难上加难,因为生产过程中使用了上百种化学品和气体,其中很多都要从亚洲采购。所以任何国家真正实现端到端自给自足都是空想。

谁将在美国建立新的晶圆厂?

英特尔历来一直在积极地进行技术开发和建造晶圆厂。加上一些额外的激励措施,他们很可能会选择美国的地点,而不是爱尔兰或以色列来进行未来投资。毫不奇怪,英特尔一直在大力游说争取美国政府对该行业的支持。但是,即使是英特尔,过去也曾尝试使用代工厂模型,但没有取得任何进展。并在最近的公告中提到他们的7nm工艺有更多的延迟,甚至表示愿意使用外部合作伙伴进行制造。

美光通过收购日本和中国台湾企业,以及在新加坡的扩张,得到了更多的发展。内存芯片是商品,对成本高度敏感。美光不太可能在短期内再建一座大规模的美国晶圆厂。

Global Foundries已经退出了最新工艺节点的竞争,并专注于一些更利基的技术和应用,如FDSOI。它也陷入了财务困境,只能靠穆巴达拉集团来维持。在未来几年内,世界上任何地方都不太可能看到他们的新的前沿工厂。

全球厂商:其他顶级全球厂商是台积电、三星和海力士。三星在奥斯汀经营两家晶圆厂,可以想象,如果有足够的动力,三星将在那扩建工厂。海力士没有在美国运营的历史(他们在中国拥有大型晶圆厂),不太可能现在就开始运营。

台积电TSMC)涉足美国晶圆厂的想法已有一段时间了,但从未成功。台湾是一个小岛,台积电可以很容易地在各个站点之间轮换重要人员。尽管最近宣布了对亚利桑那州的投资,但除了政治上之外,美国台积电TSMC)的优势很难看到。就像没有在威斯康星州大肆宣传的富士康工厂那样,这可能是对未来关税的政治对冲。苹果也可能将其供应链也转移到美国。但是从纯粹的运营和财务角度来看,此举似乎没有优势。

美国可以借鉴中国的模式吗?

相比之下,中国通常通过直接股权投资或通过国有银行贷款来输送资金,这大大加快了新工厂的投产速度。中国企业对一个行业的看法也很长远,愿意在亏损的情况下经营几年。例如,他们完全主导了太阳能制造(90%的太阳能电池由中国制造),并成为显示器制造的主要参与者,从韩国和日本人那里抢走了份额。

美国必须表现出对联邦和州支持的类似长期承诺。但这在美国的政治体系中非常困难。再次以太阳能为例,联邦税收抵免和州激励措施的各种组合被用来启动该行业。这在成本/瓦特持续下降的安装方面起作用。但是美国在制造太阳能电池和组件本身方面只是次要角色。

最后,由于只有前五大IC制造商才有足够的资金来制造领先的晶圆厂,任何政策都必须与这些公司的战略目标相一致。有些可以通过关税和贸易行动等惩罚性措施来实现,但这在全球经济中很少是可持续的。

结论

关注一小部分真正对国家安全有影响的关键芯片,并在必要时继续为其提供资金,可能更有意义。但是,将集成电路制造大规模转移回美国的可能性不大。

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