【芯观点】SIA报告中的逻辑陷阱:美国半导体产业的“致命错误”

9月16日,代表全美国半导体营收95%的半导体行业协会(SIA)携手著名的波士顿咨询公司(BCG),发布了一篇重量级的报告:《政府激励计划与美国半导体制造的竞争力》。

这份篇幅并不冗长的报告配合其详实的数据和图表展示了双方这样一个核心主题:作为曾经的集成电路领域的发明者和领航者,美国的半导体制造业目前正在被全球尤其是东亚越抛越远,扭转这一颓势的主要出路,是要政府部门能出台匹敌东亚地区的激励政策(Government Incentives)。

这份报告总体的框架和格局可以用三个问题来概括:在目前全球半导体分工体系和进展路径中,美国在哪些方面具有优势?劣势是什么?如何扭转这个劣势?

《【芯观点】SIA报告中的逻辑陷阱:美国半导体产业的“致命错误”》

《政府激励计划与美国半导体制造的竞争力》报告

SIA和BCG并没有为了唤起美国政府的危机意识过分渲染其半导体行业遭遇到了何种危机,而是抽丝剥茧、分门别类地阐述了哪些问题可以算作目前的癣疥之疾,如果有的话,这些癣疥之疾有没有在未来发展为肘腋之患的可能。所以,总体来看,这部微型美国半导体发展史,是SIA和BCG联手向美国联邦政府呈上的一个半导体版的“隆中对”。 

报告的“内在理路”

报告承认,虽然美国目前在内存芯片(全球市场份额约为4%)和逻辑芯片(约12%)相对较低之外,美国在分立、模拟和光电产品中的份额依然很强,这三类产品可以简称合并为DAO(discrete,analog和optoelectronics,全球市场份额占到30%),更主要的是,在EDA电子设计自动化工具,核心知识产权模块CORE IP,以及半导体设备方面可以说有统治力一般的存在,这些均超过了50%,这几个领域,恰好都是中国半导体产业的短板和痛心之处,亟需发力追赶,这个议题本文限于篇幅兹不赘述。

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美国半导体产业的优势与劣势,以及与其他制造业的横向对比

如果说相对来说更偏重劳动密集型的OSAT半导体封装业务,占全球份额不到5%,尚且不用太过于顾虑的话,那么全球份额比只有12%的半导体制造业,也足以警醒美国业内注意了。再加以横向对比航空(49%)、医疗设备(25%)、制药等领域(23%)等,半导体制造就更加相形见绌了。

于是,这份报告抛出了一句提纲挈领的现实数据:在过去30年中,美国在全球半导体行业收入中所占份额为45%至50%,但是当前美国在半导体制造领域的份额正在下降,仅占总产能的12%。

诚然,美国半导体制造业所占份额的下降与其他行业的产业外包走的同一条路,即去工业化,去制造业。但是报告显示,即便如此,美国的半导体制造业相对消费力电子或者日化工业来说,仍然算得上一股“逆流”。因为在过去30年中,美国的半导体制造产能以每年7%的累计年增长率增长,只不过进入到21世纪以来,因为内需的增加,全球半导体的制造工艺呈加速趋势,美国的制造业增速相对来说被其他地区甩开了。

与上述现象关联度极高的一组数据:目前纯晶圆厂占全球制造能力的38%,其中仅有7%位于美国,全球新增半导体制造产能,美国仅占6%,如果放任自流,任随这个趋势发展下去,2030年,美国在制造业中的份额将减少到10%。

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全球各地区半导体产能份额(包括对2025年和2030年的模拟)

但是美国半导体行业从未像服装、食品加工或者制药行业那样经历过大规模的破产重组或者离岸设厂风潮。如果单纯地将美国半导体产业和服装加工、日化或者消费电子行业对比,后者就会衬托出美国半导体工业地布局并不是很合理。

所以接下来的问题是,为何美国可以把耐克、可口可乐、通用汽车、苹果的制造外包看得心安理得,并将其视作全球化区域性分工的必然途径,即便是在2016年特朗普上台之后的逆全球化思潮的兴起,上述企业也并未将制造业回流本国看作一项急迫性的任务,但半导体行业却如此特殊呢?

遥想80年代末,全球半导体行业向无厂化模式转变的过程中,AMD的联合创始人之一杰里·桑德斯(Jerry Sanders)说过一句名言:“好汉都有晶圆厂”(real men have fabs),按照他的理念,设计与生产必须紧密无间地结合。所以,SIA与BCG的呼吁有一种30年隔空对话的意思。当然,此现象背后深层次原因则是SIA眼中的芯片产业的独特性。

在SIA看来,半导体制造与设计的分离跨越了地理隔阂,这种有序分工对未来恰恰有可能损害美国的芯片研发的领先地位,因为芯片架构和材料方面的突破,取决于设计与制造之间不断加强的研发合作,这方面,美国厚实的家底主要由基础科学、IC设计和生产设备领域构成,增强其制造能力可能会它引领着这些创新领域的发展,为未来创造新的技术范式。换言之,如果美国继续远离一线实操芯片制造,就会造成产业链的缺口越来越大,失去芯片新材料构架的场域感。

为了夯实这份报告的信服度,中国半导体产业的发展显然是一个理想的参照物,此处,SIA和BCG第一次用了“自给自足”(self-sufficient)这个概念——制造与消费的高度紧密结合,在未来的现实中,如果不受外部干扰,中国会在10年内解决这个问题。

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30年来中国半导体行业的市场份额和制造份额(包括对2020-2030年的模拟)

报告最后一部分指出了美国半导体三十年以来“去制造业”的关键原因所在:东亚地区普遍采用了政府激励措施,形成了规模集群效应(cluster),而这恰恰是美国的短板。未来五到十年之内,一个标准容量的先进半导体工厂,除了前期的资本支出之外,再加上现金运营支出和总设备维护,其成本将大大高于一艘航空母舰或者核电站的建造成本,其中最新见的模拟芯片工厂的TCO(总投入成本是110亿-150亿),而高级逻辑系统或内存芯片晶圆厂的TCO则高达300亿-400亿美元。

这些TCO的投资总额中,税金、土地租金、工人工资、原材料费用等等,美国的总拥有成本比中国大约高50%,甚至不算中国通过获得低于资本成本的信贷和股权所提供的融资成本的额外优势,这也就意味着,在美国建造20个晶圆厂所用的TCO,可以在中国建造30个。

按照SIA和BCG对全球半导体行业未来10年左右的预估,美国从现在开始采取政府激励政策,新增500亿美元,这将能够吸引总共19座晶圆厂,比目前多10座。这占未来10年进入市场的新产能的24%。并且SIA向美国政府发出了预警性极高的忠告:即便是从2021年开始实施政府激励计划,也只能勉强算亡羊补牢之举,因为新增产能的开发正在被中国大陆、中国台湾地区和韩国蚕食瓜分,扭转历史趋势、扩大美国半导体制造业版图的窗口正在迅速关闭。

症结所在

平心而论,这份《政府激励计划与美国半导体制造的竞争力》结构丰满,逻辑层级清晰,数据翔实,能起到给美国政府以算无遗策的政策性鸣锣开道的效果。但平时对美国半导体宏观政策有过追踪性观察的读者,应该会了解这份报告的本质其实是一份“论文集”——把最近几年BCG的论文报告的精华之处融合在了一起,再加上SIA的润色(两家分别出两个编辑执笔),总体结论是,美国颁布半导体行业的顶层设计规划,已经到了刻不容缓的地步,这一点,也契合了2016年以来制造业回归美国的一股潮流。

更值得注意的是,该报告并非赵括般的纸上谈兵之举,其理念在现实层面上已经迈出了步伐。老伙计网今年7月份曾经报道,继台积电宣布在亚利桑那州设立12寸厂后,格芯 (GlobalFoundries)也在7月9日宣布将扩建纽约州马尔他镇Malta的Fab 8晶圆厂,以14nm/12nm FinFET工艺为主。再联想到近日《日经亚洲评论》的一篇报道,美国国会正计划为芯片制造商提供约250亿美元的政府补贴,以求通过巨额补贴让企业将生产线迁回美国,虽然我们无法判断台积电在亚利桑那的新晶圆厂是否算在了SIA的新增的10个之内,某种意义上,芯片制造业的“美国版南泥湾”工程好像已经悄然上马了。

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台积电在美国设厂状况(@联合晚报)

然而,这份忧国忧民的激励报告,却存在一个难以克服的问题,在层层推进的数据和图标面前,这个问题有意无意被遮蔽了——如何看待目前以及未来半导体产业的供应与需求?

几十年来,Fabless这样一个无厂化模式的出现和大行其道,背后并非是一座固定于云霄中的独立王国,而是产业规模化分工的必然结果。

弹性化专业集成电路模式的诞生,是对当今半导体公司面临的商业与技术挑战的回应。凭借这一模式,公司可以更高效地配置资源,将设计与技术,系统知识和制造资源整合在一起,推动集成电路最终产品的交付。

这一模式的基本策略是分散设计风险,在半导体领域实际投资资本与人力资源之前,尽可能压缩集成器件制造商、无厂化公司和贴牌加工厂的规模。该模式的目标是提升从创意到交付全价值链的效率,缩短开发流程中各环节的耗时时长,最终提升产品的产出质量与可靠性。

美国半导体产业的杀手锏之一——EDA的巨大优势的确立,恰恰就是与代工厂(foundry)与Fabless走的同一条路。

在EDA领域,每种新工艺都会带来新的间断性需求,要适应不断扩大的设计规模,不能只靠丰富的设计功能、提升工具速度。设计团队越来越希望能将精力投入芯片的特定部件,有竞品拉开差距,而不是重新设计标准接口。这意味着,相比八九十年代,知识产权公司需要更早地完成标准接口的开发与芯片测试。代工厂和Fabless模式大体取代了IDM和专用集成电路的模式,开放创新平台与EDA工具供应商、知识产权模块供应商积极合作,确保设计流程与关键模块能尽早就位。这样一来,设计流片时晶圆厂也正要开始爬坡量产,晶圆的需求与供应就能合拍。

整个产业仿佛终于经历了某种大循环,代工厂与设计圈共同组建成虚拟的集成器件制造商,台积电的开放性平台进一步加速了半导体供应链的解体。当然,这靠的是良性发展的电子设计自动化产业和日益健全的知识产权产业。

SIA和BCG频繁引用“半导体离岸制造最终会损害创新力”的学术论文,却也不得不承认,美国EDA和知识产权模块的飞速猛进并在全球范围内建立领导优势就是轻装上任的结果,犹如猎豹用牺牲体型的代价换来了极致的速度。

报告中最具结论性的分析模型,是认为“如果美国政府新增新增200亿美元政府激励计划,预计美国将吸引14家新晶圆厂,占据新增产能的14%;如果新增500亿美元政府激励计划美国将能够吸引总共19座晶圆厂,比目前多10座,这占未来10年进入市场的新产能的24%。”其中的核心概念“新产能”(new capacity)是建立在把变量视为常量的基础之上的。

预估2030年,中国半导体的制造能力将达到全球总产能的24%,这一预判基于同样的分析模板。而供应与需求的基本经济学原理,新产能(new capacity)的前提则是新需求(new needs),Fabless模式的分工体系本身就建立在默认IDM模式已经无法完成资源最大配置的基础上,这几乎是应对产能过剩这一现象的最优解。

那么,假定美国政府半导体制造回流激励计划和中国台湾、韩国的晶圆厂并非是零和博弈,那么,新增产能将如何被消化?在通用汽车,手机等电子消费的制造业已经外包的情况下,内需如何保证?难道新增的十几座美轮美奂的晶圆厂的产能都大部分供应航天军用?很遗憾,这份最关键的模拟数据被SIA回避了。

没有哪个时代能和当今相比,更能让业界更感受到半导体行业受外界干扰的严重性。中美科技战升级的大背景下,美国国防部和商务部接连出台多种“黑名单”和“实体名单”,打压以华为和中兴为代表的高科技企业,在半导体产业内部产生了某种程度的“灰犀牛”效应,而美国商务部对华为的各种制裁政策,SIA都在第一时间站出来发声表示反对,认为这种干预市场秩序的政府行为最终损害的是整个半导体利益共同体,联发科芯片积压库存的无奈和DRAM现货价格的暴涨,都证明了SIA报告中“新产能(new capacity)”分析框架的脆弱性。

吊诡的是,极力倡导半导体产业全球化和完全市场饱和竞争的SIA,在报告中一开头却点名了其所施行的理念就是为了打赢中美科技战,战争武器不是别的,恰恰就是政府干预,用补贴的方式消弭场租、税收和人力资源的成本差,最终掉入了自己最想避免的逻辑陷阱中。

结论

IC Insights上周发布报告称,今年纯晶圆代工市场规模有望同比增长19%,背后的主要推动力则是5G手机的大量上市。5G手机这个领域,在SIA和BCG的报告中,可以被看作某种“空白地带”(addressable white space),即代表芯片新产能的崛起性的生命力——这是SIA分析框架中政府激励措施所带来的益处(增加就业、弥补产业链缺陷)的最核心基石。构成这份基石最主要的材料则是业内供需的动态平衡,而这正是《政府激励计划与美国半导体制造的竞争力》的阿基里斯之踵。

(校对/零叁)

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