作者 |MARK LAPEDUS & ANN STEFFORA MUTSCHLER

至少在半導體行業

很多時候Less is notmore

而More is More才是真諦

不過美國芯片制造業是否可重登寶座

隨著貿易緊張局勢的升級以及對國家安全問題關切的持續增長，美國正在制定新的戰略，以防止其在半導體制造領域進一步落后于韓國、中國臺灣地區甚至中國大陸。

多年來，美國一直是 GPU 和微處理器等新芯片產品開發上的領頭羊。但是，從芯片制造的角度來看，美國正在兩個關鍵領域失去優勢。

首先，以英特爾為首的美國芯片代工廠商在工藝技術方面落后于其亞洲競爭對手臺積電和三星，甚至中國大陸地區的芯片制造商也在不斷拉近距離。其次，美國的新晶圓廠開工數量和產能都在急劇下降。

這是一個涉及到多個方面的復雜問題。例如，美國本來就已經在工藝技術上落后于競爭對手了，現在，其領頭羊英特爾又推遲了其最新工藝的發布，導致它進一步落后于臺積電和三星。

不僅是工藝水平的落后，芯片制造商在美國建造新晶圓廠的速度也低于其亞洲競爭對手。根據美國半導體工業協會（SIA）和波士頓咨詢集團（BCG）的數據，美國在全球晶圓廠產能中的份額已從 1990 年的 37％下降到 2020 年的 12％。在同一時期，亞洲的新晶圓廠發展迅速，目前已占到全球產能的 80％。

特別是中國，其半導體發展計劃非常雄心勃勃。在 1500 億美元的資金支持下，中國正在發展其國內 IC 產業，并計劃在本土制造更多自己的芯片。更糟的是，包括中國、香港和臺灣在內的大中華區是一個地緣政治熱點，中美貿易戰加劇了當今所有領先工藝技術所處地區的緊張局勢。任何變故都將對美國獲得領先的工藝技術產生重大影響。

全球半導體制造產能份額

美國的政策制定者意識到，有必要在國內建造更多的芯片制造廠，但是，這個工作的代價非常高昂。要建設一家先進工藝的晶圓廠，投資規模在 100 億至 200 億美元之間，而且無法保證投資就能產生回報。另一方面，盡管芯片制造至關重要，但是，制造本身只是芯片競爭大局中的一小部分。總部位于美國的公司在芯片設計、特殊工藝、EDA 工具和晶圓廠設備方面仍然處于領先地位。

盡管如此，美國政府依然在采取措施以增強美國在各個方面的競爭力。其中包括：

國會提出了一項激勵在美國本土建造新晶圓廠的計劃；

美國希望建立一個芯片聯盟；

格羅方德和英特爾正在升級他們的工藝，臺積電則計劃在美國建立一個新的高端工藝晶圓廠。

英特爾已經成立了一個新的商業實體，以開發基于 chiplet 的設計。將芯片集成在高級封裝中的 chiplet 正在成為美國在芯片行業保持競爭力的另一種方式。

More is More

美國計劃建更多晶圓代工廠

集成電路行業的競爭一直非常激烈，不僅有多家公司在眾多不同的市場中競爭，同時，國家之間也在幾個不同的技術領域存在競爭。例如，在技術上，各個國家都在爭奪 5G、人工智能和量子計算的霸主地位。中國雄心勃勃的芯片發展規劃更是點燃了全球半導體競爭的烈火。

圖源| The Verge

幾十年來，IC 行業的發展一直遵循摩爾定律，該定律指出，芯片中的晶體管密度每 18 到 24 個月就會翻一番。當今的芯片在單個器件中集成了數十億個晶體管。“晶體管本質上是一個開關，” Lam Research 大學項目主管 Nerissa Draeger 在博客中解釋道。“場效應晶體管使用電場來控制通過溝道的電導率。”

因此，在過去的半個世紀中，芯片制造商一直遵循摩爾定律，這使他們能夠將更多功能集成到單個芯片上。這推動了手機、計算機和其他產品的發展。

但是，在半導體行業發展的初期，芯片技術還很初級。1965 年，當戈登·摩爾發表他標志性的摩爾定律時，芯片是在 1.25 英寸（30mm）晶圓上生產的。當時，建造一家晶圓廠的成本為 100 萬美元。

在隨后的幾十年中，大多數芯片廠商都在自家的制造工廠中制造芯片，而且，隨著時間的推移，它們也轉向了更大的晶圓尺寸。通過轉向更大的晶圓尺寸，每片晶圓上生產的芯片數量提升了 2.2 倍，從而可以幫助降低制造成本。但是，更大的晶圓也意味著需要更大的晶圓廠和更昂貴的設備。

隨著時間的流逝，半導體需求激增，芯片制造和工藝成本也急劇上升。從 2000 年代開始，芯片制造商從 200 毫米晶圓廠過渡到現代的 300 毫米晶圓廠。最初，建造一家 300 毫米晶圓廠的成本為 20 億美元，而 200 毫米晶圓廠的成本為 7 億至 13 億美元。

根據 IBS 的數據，在 2001 年，有 18 家芯片公司擁有可以生產 130nm 芯片的晶圓廠，這在當時是最先進的工藝。

然后，突然之間，事情發生了變化。那時，亞洲和其他地區出現了幾家芯片代工廠，它們專門為外部客戶提供芯片制造服務。

代工模式是在 2000 年代開始興起的。從那時起，無晶圓廠設計公司開始委托代工廠生產芯片。SIA 和 BCG 的論文稱：“半導體行業已經看到了無晶圓廠模式的興起。”

在此期間，美國和其他地區的許多芯片制造商不再有能力開發新的晶圓廠和工藝。作為回應，一些芯片制造商選擇了 fab-lite 模式。在這種模式下，供應商在自己的晶圓廠中生產一些芯片，同時將其他芯片外包給代工廠。有些公司則完全退出了晶圓廠業務。

臺灣是全球晶圓廠產能的領導者，到 2020 年將占有 22％的份額，其次是韓國（21％）、日本（15％）、中國大陸（15％）、美國（12％）和歐洲（根據 SIA 和 BCG 的統計，歐洲的數字為 9％）。

不過，中國大陸是最值得關注的地區，它正在以補貼的形式向其國內芯片設計和制造行業注資數十億美元。據 SIA 和 BCG 稱，中國晶圓廠產能的份額將從 2000 年的 3％躍升至 2020 年的 15％，超過美國。

中國大陸現在的工藝依然落后，但它正在積極追趕。D2S 首席產品官 Leo Pang 說：“中國正在建設中的新晶圓廠就多達十二個。然而，中國仍然面臨許多挑戰，包括半導體制造領域需要更多人才和知識產權，以及進一步縮小與領先工藝技術之間的差距的需求。”

在中國持續擴張晶圓廠產能的同時，美國卻陷入了停滯不前。根據 SEMI 的數據，到 2020 年，美洲地區共有 76 個芯片制造工廠，而這一數字在 2010 年時為 81 個。“這包括來自三星、恩智浦、英飛凌、X-Fab、Tower、臺積電和博通等非美國公司在美國的晶圓廠制造能力。SEMI 的分析師 Christian Dieseldorff 說。

Dieseldorff 說，如果不包括非美國公司的晶圓廠，美國的晶圓廠產能份額將下降到 10％。

據 SEMI 稱，美國目前正在建設中的一些新晶圓廠項目包括：

Cree：碳化硅器件（紐約）；格羅方德：代工廠（紐約）；英特爾：邏輯器件（俄勒岡州）；德州儀器：模擬器件（德州）；臺積電：代工廠（亞利桑那州）

展望未來，美國希望為國家安全和供應鏈安全而建造更多的晶圓廠。

美國現在提出了一些解決方案，其中包括美國國會擬議的一條法案。這項名為《為美國半導體制造制定有用的激勵措施》（CHIPS）法案要求為新的聯邦撥款計劃提供 100 億美元，這將激勵人們在美國本土建造新的晶圓廠，它還包括投資稅收抵免。總的來說，這是一項 220 億美元的計劃。

不過，時至今日，該法案仍然滯留在國會尚未通過，而且目前尚不清楚該法案是否會通過。另外，資金實在太少了，太遲了。據 SIA 和 BCG 稱，要提高競爭力，美國半導體行業需要一項 500 億美元的激勵計劃，即便是這個數字，可能也不夠。

這些錢建不了幾個晶圓廠。例如，臺積電（TSMC）正在臺灣投資 195 億美元，為其 3nm 工藝建造一個 300mm 晶圓廠。

另外，在美國建造新晶圓廠的成本比亞洲還要昂貴。而其他國家則提供了更好的激勵措施。因此，盡管英特爾正在擴大其在亞利桑那州的新 Fab 42 工廠，但由于其它國家能提供更好的激勵措施，它還計劃在愛爾蘭和以色列建立新工廠。

但是，英特爾等公司認為 CHIPS 法案是一個良好的開端，并且需要采取一種或多種形式的激勵措施。英特爾政策與技術事務組織副總裁格雷格·斯萊特（Greg Slater）說：“目前，我們美國在半導體制造市場的份額為 12％。在未來十年內，這一數字可能會降至 10％以下。除非我們通過政府激勵措施扭轉這種局面，否則這種情況將繼續下去。”

事情沒那么簡單。“美國可以通過補貼的方式使其晶圓廠產能份額超過 12％，但這對整個行業有好處嗎？” Semico Research 的分析師 Adrienne Downey 問。“在過去的 5 至 10 年中，該行業在產能管理方面一直做得很好。內存市場就是一個很好的例子。有效地管理產能意味著更穩定的 ASP / 收入。過去，通過補貼建設的晶圓廠造成了產能失衡。”

還有一些其他的問題。“當今行業中，幾乎沒有公司可以投資 200 億美元建設一座晶圓廠。臺積電能做到這一點，是因為它們擁有數百個客戶和數千種產品。僅增加產能并不能保證在該行業的成功地位。”Downey 說。

無論如何，如果美國在半導體制造中不采取行動，將會帶來經濟層面的后果。

Win or Die

芯片制造工藝競賽

圖源 |bodhable.com

美國的芯片制造商在 III-V，模擬和 RF 等特殊工藝中占有一席之地。美國在 28nm / 22nm 及以上的成熟邏輯工藝中實力很強。Semico 公司的 Downey 說：“美國仍然有一批仍在美國制造的成熟產品。在大多數電子設備中，每一個領先的芯片都需要至少配套 5-10 顆成熟的芯片。Qorvo、安森美、恩智浦、ADI、博通、Skyworks 和 Microchip 等公司都在美國設有晶圓廠。SkyWater 是代工廠通過提供創新選擇并幫助開發新解決方案重獲新生的一個例子。”

但是美國在領先的邏輯 / 制造工藝落后于其它地區。這是最近十年才發生的，多年來，英特爾一直是制程技術的領導者。如前所述，在 2001 年，有 18 家芯片制造商可以處理尖端的 130nm 芯片。

隨著時間的流逝，工藝成本不斷上升，越來越少的參與者可以負擔得起在高級節點上開發先進工藝的能力了。

最大的變化發生在 20nm 時，當時的傳統平面晶體管走到了極限。作為回應，英特爾在 2011 年在 22nm 上轉向了下一代 finFET 晶體管。代工廠轉移到 16nm / 14nm 的 finFET。（英特爾的 22 納米相當于代工廠的 16 納米 /14 納米。）

FinFET 和平面型工藝

FinFET 以較低的功率提供了更高的性能，但制造起來也更困難，更昂貴。TEL America 副總裁兼副總經理 Ben Rathsack 表示：“這是由于制造該設備所需的工藝步驟數量較多所致。”

FinFETs 也縮小了芯片制造公司的圈子只有六家代工廠 / IDM 擁有遷移到 16nm / 14nm 的 finFET 的資源。這些供應商包括格羅方德、英特爾、三星、臺積電和聯電。中國的中芯國際最近進入了 14nm finFET 市場。

英特爾希望在 2016 年推出 10nm finFET 工藝來擴大其邏輯工藝的領先地位。但是，由于各種原因，英特爾兩次推遲了 10nm 的生產，并最終在 2019 年基于該工藝推出了處理器 - 比預期晚了大約兩年。

在英特爾 10 納米技術兩度延遲的同時，臺積電在 2018 年初推出了全球首個 7 納米 finFET 工藝，在工藝上超過了英特爾。后來，三星也推出了 7nm。（英特爾的 10nm 大約相當于代工廠的 7nm。）

這種變化很重要，有以下幾個原因。一直以來，英特爾都是芯片制造業務中的佼佼者，它并沒有直接與臺積電競爭。但是，臺積電為 AMD 和英偉達等英特爾的競爭對手們提供代工服務。因此，英特爾的競爭對手突然在工藝技術領域把英特爾甩在了身后。

還有一些其他的變化。2018 年，格羅方德和聯電均停止了各自在 7nm 上的努力。7nm 的開發需要巨額投資，兩家供應商均對能否收回投資表示。現在，這兩家公司仍活躍于 16nm / 14nm 及以上成熟工藝上。

盡管如此，7 納米技術將高端制造圈縮小到三家公司：英特爾，三星和臺積電。但是隨后，情況再次發生了變化。

2020 年初，臺積電和三星開始出貨 5nm，而英特爾推遲了 7 納米制程，使其進一步落后于其兩個競爭對手。來自中國的中芯國際正在開發類似 7nm 的工藝。最近，中芯國際從中國 IP 提供商 Innosilicon 處獲得了首個用于類似 7nm 工藝的流片。

半導體顧問公司的 Maire 說：“現在看來，英特爾的 7 納米至少要延遲六個月甚至是一年。英特爾和臺積電已經不是并駕齊驅了，現在的英特爾顯然落后于臺積電。格羅方德則停留在了 14 納米。因此，我們美國真的沒有可以快速發展的代工廠或 IDM 了。”

不過，美國并沒有真的停滯不前。英特爾發誓將解決工藝問題，并終將發布 7nm。它還在考慮一項計劃，將其部分 7nm 生產外包給代工廠。

然后，為了重新奪回自己的優勢，英特爾希望建立一個美國芯片聯盟。作為計劃的一部分，英特爾建議在美國政府的支持下運營一家美國代工廠。目前尚不清楚該計劃是否會生效。

最近，格羅方德為其位于紐約州的 300 毫米晶圓廠申請到了新土地。“隨著對國家資本投資半導體制造的共識日增，比以往任何時候都更重要的是，我們準備在格羅方德美國最先進的制造工廠中快速實施我們的增長計劃。”格羅方德高級副總裁兼總經理 Ron Sampson 說。

臺積電可能是美國的真正希望，臺積電計劃在亞利桑那州建立一個新的尖端的 5nm 晶圓廠。該晶圓廠計劃于 2024 年投產。

不過，目前尚不清楚美國是否可以重新獲得其在工藝技術方面的競爭力，也不清楚哪家公司將成為美國代工業務的領導者。

Solution is Unique

chiplet 的時代正在來領

展望未來，來自不同國家的幾家公司將繼續參與芯片制造工藝競賽。但是，這不是保持競爭力的唯一方法。

通常，為了提高性能，業界通過芯片尺寸縮減來開發 ASIC，以將不同的功能集成到單個單芯片上。但是，現在的節點升級正越來越困難且昂貴，而且，僅僅通過工藝升級所獲得的功率和性能收益正在減少。7nm 以下的每一代新節點可能會把性能提高約 10％至 20％，但是，架構更改、專用加速器和硬件軟件協同設計帶來的性能提升可能會高達 10 倍至 1,000 倍。

而且，并非所有芯片類型都受益于工藝尺寸的縮減。數字邏輯器件當然可以，模擬組件則不能。因此，整個行業正在將復雜的芯片封裝在高級封裝中，而不是將所有組件都縮減工藝尺寸并放進單個裸片上。

如今，來自多個國家的公司、代工廠和 OSAT 都在追求 chiplet 戰略，即芯片制造商可以使用庫中的模塊化芯片或小芯片，并將它們集成到現有的高級封裝或新架構中。

AMD、英特爾和其他公司已經開發出類似的芯片設計，可以以更低的成本追上或超越 ASIC 的功能。但是，隨著第三方開發出越來越多供銷售的的 chiplet 并跨多個市場銷售，在邊緣計算等新領域爭奪市場主導地位的競爭已迫在眉睫。

chiplet 的發展勢頭在持續增強。例如，英特爾已經獲得來自美國國防部的 chiplet 研發新合同，稱為最新異構集成原型（SHIP）計劃。根據該計劃，英特爾圍繞 chiplet 建立了一個新的美國商業實體，包括國防部和國防行業的客戶可以使用英特爾的先進封裝能力。

國防部研究與工程副部長辦公室微電子首席總監妮可·佩塔（Nicole Petta）表示：“路線圖確定了優先事項，并意識到隨著制程規模的放慢，異構組裝技術對于國防部和我們國家都是至關重要的投資。”

寫在最后

芯片行業競爭力的定義變得越來越復雜了，工藝的提升將繼續至關重要，但是，高級封裝技術也變得越來越重要。

來自不同國家的公司將需要同時發展制造工藝和高級封裝技術。這反過來將推動新的增長。但是，從技術角度來看，美國仍有一些工作要做，問題是是否有實現這一目標的政治意愿，以及公司能否獲得回報，到目前為止，答案尚不清楚。

責任編輯：PSY

原文標題：重回芯片制造之巔，美國最大痛點是什么？

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