【编者按】2020年9月，欧亚集团（Eurasia Group）发布报告《半导体的地缘政治》（The Geopolitics of Semiconductors）。报告认为，中美科技冷战序幕已经拉开，正在产生全球性的影响，而半导体产业恰恰是中国在此次竞争中的软肋。其中，台湾地区的台积电、韩国的三星公司面临ICT供应链“红”“蓝”阵营的抉择困境。美国对中国的施压以及中国对美国的回应，提升了全球经济和地缘政治的不稳定性，而这种状况目前仍将持续下去。
1 美国和中国的半导体竞争将产生全球性的影响
集成电路赋能现代智能手机和电脑，它的设计、测试、制造和封装流程是非常复杂且资本密集的。半导体产业发源于硅谷，经过数十年高强度竞争压力下的演变，现已成为一个高度专业化的全球产业。这一演变过程如今正产生全球性的影响。
自从2017年中美贸易战以及科技对抗进入公众视野以来，人们的大部分注意力集中在贸易冲突和美国制裁华为上。然而，最近美国有关半导体的行动，对中国而言是一个更加基本性的难题。
尤其值得注意的是，近期美国切断华为的前沿半导体供应链，以及鼓励先进芯片厂商迁回美国本土，已经拉开了中美科技冷战的序幕，加剧了两国贸易和科技的冲突。
本报告分析了近期半导体产业中政治和市场发展的地缘政治意义，特别是在半导体制造行业领域。随着美国在科技领域对中国施压，以及中国国内科技持续发展并对美国行动做出回应，这对双边关系产生了影响，并且对公司、市场参与者、全球科技供应链带来新的风险，理解该关键领域的政治和技术动力越来越重要。
2 半导体是一个战略性瓶颈，而中国在此方面是脆弱的
含有大量集成电路的大规模芯片经过数十年的发展，已经改变了计算经济，并且从根本上重塑了全球经济。20世纪80年代个人计算机革命，20世纪90年代互联网革命，21世纪初智能手机和社交媒体革命，都是建立在硅的基础之上的。下一代可能改变消费和工业应用的游戏则是建立在5G网络上，这依赖于前沿芯片的性能及其提供的计算能力。获得前沿的半导体对于全球军事力量的平衡至关重要，因为军事需要高性能计算和人工智能以及物联网应用，并且它们在现代和下一代武器平台中扮演着重要的角色。
图1 半导体生产生态系统的多个阶段
考虑到前沿技术发展过程中，研发和实现制造能力的巨额成本，先进半导体制造能力已经越来越集中于少数企业。这些公司位于少数几个国家或地区，包括地缘政治热点如韩国和台湾地区。
根据该行业的发展规律，即摩尔定律，半导体的集成电路密度从20世纪70年代以来，每两年翻番，处在技术发展前沿地带的公司围绕制造高密度和更强劲集成电路而展开角逐。越来越快的性能提升不再由任何物理定律或自然现象所驱动了。然而，这其实是私企为响应市场压力而进行研发和创新的结果。为了加大投资突破技术曲线，公司需要应对复杂的工程学和制造难题，同时需要能够产生超越其资产成本的经济回报。
目前，只有两家公司，即韩国的三星和台湾地区的台积电，能够规模化地制造最先进制程的半导体。制程是一个行业术语，表示制造流程的特定代际，根据其最小的特征大小来命名。行业领头羊目前能够以7nm制程的商业质量进行生产，并且正在向5nm，最终在21世纪20年代中期达到3nm过渡。美国集成芯片制造商英特尔也在角逐7nm量产，但遇到了一些挑战，宣布其下一代芯片将推迟至2022年。
表1 2019年主要制程的半导体制造商数目
先进半导体制造能力集中在少数几个国家和公司，是数十年市场压力的结果，竞争对手已无能力追赶这越来越大的差距，退出了竞赛并转向更低端制程。而这也需要更复杂的能够处理重要材料资源的设备。这种趋势可能将持续下一个十年。
目前，7nm芯片是最先进的商用半导体，包括华为的麒麟990芯片（由台积电制造）。华为的芯片设计实体海思公司曾与台积电就最新的5nm麒麟系列进行合作。 尽管中国科技公司在诸如5G、人工智能、移动APP、量子计算等领域的能力增长，但中国在前沿半导体制造方面落后于全世界。结果是中国政府的科技经济发展以及保持全球竞争力等目标依赖于海外的晶圆厂提供最先进的芯片。 中国已经在采取行动，推进先进半导体制造。通过2014年启动、2019年重组的大规模“国家集成电路投资基金”，中国已经募集了超过2千多亿美元的资金，超过了冷战时期的美国阿波罗登月计划，旨在推动中国突破制造曲线。然而，这离取得有限成果还相差甚远。中国的晶圆公司中芯国际，与同行业的英特尔、三星、台积电等相比落后了3年。在今年8月，中芯国际宣布能够将其现有的光刻设备提升至7nm，但这仍然落后于同行业领军者。 尽管中国将继续向该行业投入金钱，但其制造商不太可能挤入全球制造最高层。主要原因在于高昂的研发成本，以及安装和操作10nm制程以下大型半导体制造设备实现商业量产时面临挑战。 英特尔、三星以及台积电已经在压力下寻找新的方式，进行合作并分摊成本，以维持在前沿创新方面的步伐。美国半导体公司的研发开销和资产消耗已经由2007年的400亿美元上升到2019年的720亿美元，反映了摩尔定律下成本的增长。2018年，另一个由阿联酋主权财富基金Mubadala持有的大公司格罗方德退出了全球竞争，宣布放弃开发7nm制程，其主要原因就是高昂的工具成本。 对于中芯国际和其它中国厂商而言，一个特定的瓶颈是EUV光刻技术。这是进入7nm制程所必需的下一代制造技术。EUV使用更短波长的紫外激光实现更好、更密集的电路。台积电和三星的7nm制程使用的就是该技术。英特尔公司正在将EUV引进其商业生产线，但遇到了一些难题。台积电、三星和英特尔都将继续依靠EUV实现5nm制程。 EUV是下一代半导体制造技术，由全球行业领军者用以实现7nm制程。其上一代工艺是10nm，使用的是193nm波长的激光蚀刻硅晶圆。尽管科学家能够通过浸水和其它技术突破193nm光刻限制，加强制造流程，使之达到7nm。这可以用在某些领域，但用于商业领域面临挑战。台积电和三星前沿的7nm及更低规格制程都是使用了EUV和传统光刻技术实现的。 EUV使用13.5nm波长的光进行蚀刻，可实现更密集的集成电路，带来更强的计算能力。然而，生成这种短波长的光柱并将其用于制造商用集成电路是极其复杂的过程。 荷兰半导体制造设备公司阿斯迈尔是世界上唯一一个商业EUV光刻设备生产商。EUV光刻机成本高达1.4亿美元。阿斯迈尔的EUV设备也使用了许多美国的技术，使美国政府有理由在《出口管理条例》下控制EUV设备出口给中国。
图2 EUV光刻技术
2020年年初有媒体报道美国已经向荷兰施压，要求阻止阿斯迈尔公司将EUV光刻设备交付给中芯国际。无法获得设备和安装调试的工程师，中芯国际可能无法实现7-10nm的制程。这导致华为和其它中国科技公司不得不依赖外国芯片供应商。同时，美国的“外国直接产品”规则又开始针对华为的芯片设计商海思公司。
3 “红”和“蓝”供应链阵营给台湾地区带来抉择压力
最近几个月，美国加大在半导体领域施压中国，将台湾地区推入中美科技冲突的漩涡。
第一，美国政府机构考虑到军事用途和敏感民事应用的高级半导体供应链的长远安全性，开始采取行动确保美国能够获得可信的制造商。2020年5月15日台积电宣布将投资120亿美元在亚利桑那建设5nm制造厂，就是美国的举措之一。尽管台积电并未明确表示称为五角大楼的可信供应链，它既有可能是美国计划中的一部分。
第二，其它特朗普政府的鹰派集团以及部分美国政府机构已经断绝了台湾地区作为中国公司前沿半导体供应商的可能。在台积电宣布5nm制造厂建址的同一天，美国发布了外国直接产品规则，制造断绝台积电向华为海思出口高级半导体的渠道。
美国的行动强调台湾地区是美国半导体产业的焦点。2017年以来，中国本土半导体设计能力提升，中美科技关系恶化，中国公司加强了与台湾地区公司的交流，包括华为／海思与台积电的关系显著提升。在此过程中，中国政府开始激励台积电将更多制造业务和先进技术转移至大陆。台积电南京厂目前正在生产16nm制程芯片，是中国最先进的生产线。然而，对于海思等客户的高级制造任务是在台积电的台湾地区总部进行的。在第一季度，华为海思提供了台积电14%的营业收入。
美国官方对中国工程师越来越多地出现在台积电感到不满，他们视之为窃取知识产权或者向美国供应链植入恶意程序的潜在风险。美国对台湾地区的怀疑是另一个驱动力，促使台积电在美国建立先进制造业务。美国科技领军公司，包括许多美国政府和军方的供应商，已经依赖于台积电为其制造前沿半导体。美国公司占了台积电60%的营业收入。
图3 2019年底主要半导体制造公司的制程水平
4 美国在制裁华为事件中揪住了中国半导体脆弱性
直到最近，美国应对这些风险的策略都是防御性的，包括美国的实体清单和后续针对华为的行动。新的美国外国直接产品规则针对第三方供应商如台积电出口给海思半导体，也是在这个策略之下的。该规则意味着台积电必须在推定拒绝前提下申请许可证，才可将使用美国技术生产的产品出口给海思。
尽管该规则言辞模糊，台积电是否会被迫申请许可证仍存在争议，台积电在6月表示它将服从该规则。台积电在5月中旬终止了与海思的订单。在7月，它宣布已经找到了弥补海思订单损失的机会，并在9月中旬停止与海思的关系。
美国针对华为获取台积电产品的行动是中美科技冷战升级的表现。由于华为的供应商大多出现在实体清单，涉及美国技术的半导体限制令可能重创中国公司，通过长期断绝前沿芯片供应使其无法在全球市场上竞争。
对于华为，有一种可能凭借其能力使用台积电制造芯片。公司最近宣布继续与台湾地区智能手机芯片商联发科和紫光展瑞合作。这些公司都在10nm水平设计芯片，但都依靠台积电进行制造。华为能否使用这些公司的芯片取决于外国直接产品规则如何适用。然而，美国商务部针对华为的规则声明断绝了这一可能性。该规则包括任何使用了美国技术制造的电子元器件。
8月底，华为供应商加紧在9月14日前交付元器件，有些甚至愿意交付半导体成品。同时，美国半导体行业组织施压商务部要求延长截止日期。对于其他关键的半导体，如5G基站芯片，如果台积电交付渠道关闭的话，华为将无法找到替代者。
关于华为供应链的不确定性已经影响了全球电信产业。最近美国政府正采取行动，说服欧洲盟友国家和其他志同道合国家将华为逐出5G建设。例如，英国政府考虑到美国的外国直接产品规则，决定要求英国的移动通信运营商移除华为的设备。尽管该决定源于保守党鹰派议员，英国此举更重要的动机是担忧其国家安全设施。英国政府实施该禁令预计将推迟其5G建设至少2年并且给运营商造成20亿英镑的代价。
5 美国扩大对中国科技公司的行动将带来行业收入风险
特朗普政府正在与半导体全球供应链玩一个复杂的游戏。在一方面，削弱华为将导致美国的半导体失去中国公司的因素。海思供应链中的其它全球公司，包括代工、封装和测试公司，以及电子合约制造商等，可能试图替换掉美国的技术，以减少受美国出口控制的风险。最终，这些行动，与其它行动一起，在全球技术“栈”中排除中国公司，可能造成科技行业分岔，形成“红色”和“蓝色”的供应链阵营。
另一方面，美国针对中国半导体公司的行动可能进一步增加。许多美国公司抱怨中国半导体制造商接受的国家补贴达到2千亿美元的国家集成电路基金，其地区和本地附属机构最终将导致在高端市场驱动的半导体行业的全球供应链扭曲，美国政府正对此做出回应行动。这将给使用美国知识产权的美国或第三方科技流入中国造成新的障碍。去年，商务部出于这一理由发布了实体清单，将福建晋华加入其中。
未来美国针对中国半导体的行动可能包括，以军事最终用途的理由，在实体清单增加国内代工领军企业中芯国际、存储器制造商长芯和长江存储科技。这将进一步削弱美国半导体制造设备公司的营业收入。尽管美国军方的采购可以弥补一部分空缺，但军方客户并不具备商业公司那样的采购比例和数量。在中美科技冲突升级背景下，中国将遭受更多美国切断高级技术供应的行动。
6 美国半导体行业新政策成为焦点
在这场日益复杂的科技和地缘政治背景下，台积电决定在美国建立先进的制造厂，对美国政府和整个行业非常重要。虽然台积电目前只提出了概括性的计划，预计在2024年开始生产5nm，届时5nm将不再是全球前沿技术，该公司准备继续将更多先进制造业务转移至亚利桑那。
美国政府试图引导台积电在美国建立工厂，是更广阔的美国经济安全战略的一部分。台积电是该战略的第一个受益者，其它美国和全球公司领军者将先后获益。
尽管关于旗舰登记和联邦资金仍然存疑，英特尔公司最近在7nm制程面临的困难标明了这一问题的紧迫性。国会议员将中美关系紧张作为一项核心利益议题，督促高级科技制造业回流美国本土，驱动了一批行业政策的出台。不仅仅是半导体，还有5G和其它技术都已经成为了中美战略竞争的中心。
有一些关于高级半导体议题的美国行业政策的先例。20世纪80年代末，美国政府与14家美国半导体制造商，组建了Sematech，一个非营利的财团组织致力于促进芯片设计和制造研发。该计划是对当时日本在高级半导体领域超越美国形势的回应，帮助美国行业解决了某些制造难题。随着美国半导体行业的恢复，政府对Sematech的资助在20世纪90年代中期减少，而财团持续在为全球半导体研发作出贡献。
20世纪80年代以来，高级半导体制造的竞争态势和财政需求已经发生了显著的改变，高级半导体制造的经济需要大量行业领军者的协作。尖端的美国公司正在讨论一个新的框架，包括美国政府与行业财团的合作。这将会是一个全新的路径，可能还有一个多部门科技领军者组成的联合企业参与进来。 在美国本土成功建立前沿科技厂商，将确保美国成为5nm及更先进代工技术的理想地带，形成相关的支撑生态系统。与台积电一样，三星也有充足的资金储备前往美国建立工厂，即便没有美国政府的补贴。主要的问题在于缺乏在美国本土设厂的商业理由。台积电的决定出来后，表明美国官员有能力促成这样一个战略性的商业案例。 2020年夏天，支持更广泛行业的财政和政策，包括减税、投资、加快审批等，得到了国会两党的支持。议员们热切希望看到更活跃的美国行业政策，来反击中国，保障美国政府供应链的安全。虽然还有一些其它障碍，联邦政府刺激美国前沿制造能力得到了广泛的支持。主要的问题并不是美国是否出台了新的国内半导体制造政策，而是联邦政府对其进行资助的程度和时间。8月初，一项《美国芯片法案》被提出，试图授权总共100亿美元资金，可能在9月底通过立法程序。类似的条款还包括《2021财年国防授权法案》的修正案。 一项新的美国半导体科技行业政策带来的益处，不仅包括建立前沿工厂，还包括更多稳健型的半导体制造生态系统。台积电已经同意将关键供应链公司带进美国，在美国开展研发，在台湾地区培训美国的工程师以便操作新的平台。随着时间推移，其对美国产业界的结果是知识的转让和集群效益。
7 美国施压将促使中国选择ARM和x86 ASIC架构替代方案
随着技术脱钩进程加快，中国公司在中国政府支持下，将越来越倾向于寻找替代与美国技术有关的西方开发的框架。这包括半导体设计领域，在该领域中国国内围绕对Arm架构和特定IP核的依赖争论了多年。
1990年成立以来，Arm公司为半导体核提供创造和许可证，驱动现代CPU、GPU、SOC、电信基站芯片、高性能计算半导体及其他现代电子设备和数字应用。Arm源于英国，是一家联营企业。该公司也持有Arm China 49%的股份。Arm在2016年被软银收购，今年夏天成为Nvidia和三星公司收购炙手可热的目标。
2019年，Arm及其中国联营企业成为美国制裁华为行动的一部分。2019年5月美国将华为加入实体清单后，Arm基于英国的母公司指令其雇员终止与华为的合作。给予所有中国设计的半导体，包括华为的基站芯片、智能手机芯片，都是用了Arm 的设计。该公司随后恢复了与华为（和海思）的合作，表示可以为中国公司提供其Arm 8-A指令集架构的设计及后续的技术和其它不含美国知识产权的产品，这些技术和产品可用于华为的麒麟芯片。
关于联合企业未来命运及其获得美国知识产权技术的不确定性已经促使中国转向替换Arm芯片架构，包括开源的RISC-V社区。
RISC-V是一个开源的架构，已被中国企业使用很多年。它是否受美国官方基金控制仍然不确定，即便该机构的一些初始研发基金是来自美国高级研究计划局（DARPA）。
8 展望未来
尽管仍然存在严峻的市场挑战，美国这些关于半导体的新的行业政策将在11月的大选时实施。民主党候选人拜登将毫无疑问支持吸引更多工厂回流美国，维持对华为的强硬政策。同时，他将继续提出更多美国科技政策计划，包括5G、人工智能和量子计算。
中国政府针对美国施压的最终反应将导致美国建立可信半导体供应链的策略复杂化。中国惩罚台湾地区或台积电的反应将冲击市场，反而刺激美国将高级半导体制造业回流美国本土，使产业供应链陷入混乱，加速中美科技生态系统脱钩。
半导体行业的深远变局将会是困难和痛苦的。对资本、人员、技术的限制将阻碍两个隔离体系的融合。但该过程可能是混乱和代价高昂的，给ICT产业带来5万亿美元风险。
对于中国的科技领军公司如华为，正在开始寻找替代半导体制造生态系统。中国政府将提供帮助，在国家集成电路投资基金名义下，对该行业的优惠政策于8月份发布，加速适用于上海科创板中的半导体公司。
然而，缺少国内人才、缺少前沿制造技术的经验等仍然是主要的挑战。摩尔定律的衰退以及撑大的3nm以下行业路线图，以及遥不可及的前沿工厂建设和运营成本，意味着中国国内企业与全球行业领军者之间的差距步伐在未来几年将可能减缓。华为的“深口袋”、行业经验、管理体系和企业家态度也将在某些领域发挥作用。其它策略则如利用一些非前沿的半导体芯片设计系统级的解决方案。
中国在竞争方面的优势，包括STEM教育系统、融资机制、市场规模等，将最终带来突破，但美国将继续保持优势地位并有意愿采取惩罚性措施。如果美国决定进一步限制半导体制造设备出口给中国，加上其他如外国直接产品规则的措施，中国实现更大范围自给自足的时间将延迟。
无论如何，全球半导体产业将进入一个长期调整的阶段，美国-中国-台湾地区将形成一个新的、有望更加稳定的均衡状态。
编译 | 黄紫斐/赛博研究院研究员
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