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美国半导体制造业正在复苏吗

2020-08-15
来源: 电子工程世界

最近的两条消息让半导体制造领域的人们兴奋不已。第一是台积电宣布他们打算投资120亿美元在亚利桑那建设一家工厂。另外一个,则是联邦政府将为半导体制造业投资230亿美元。这些有什么潜在的影响,如何改变半导体工厂的格局?

半导体制造业的简史

美国是半导体的发源地,从1940年代晶体管的发明开始,美国就出现了像仙童这样的早期领导者,而飞兆半导体又催生了英特尔这样的传奇公司。在每一家半导体公司制造自己的设备和晶圆厂都要花费几百万美元的日子里,硅谷的生产基地如雨后春笋般涌现。

80年代,日本开始大力投资晶圆厂,美国也开始失去在该行业的领导地位。日本将他们的质量和制造能力应用于内存、控制器等领域,促使英特尔在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,代工厂和无晶圆厂设计公司的出现。在台积电(TSMC)和UMC等公司的领导下,它们导致许多规模较小的晶圆厂不再具有成本效益。与此同时,像三星这样的韩国巨头开始大量投资制造业,现在三星和海力士两家韩国公司主导了内存芯片市场,美国制造的集成电路芯片不到全球的12%。

2014年,中国决定发展半导体产业,并开始实施雄心勃勃的“大基金”计划,将中国从一个市场份额不足10%的小企业变成一个与韩国、台湾地区或美国一样的巨头。2019年,大基金第二期成立,规模是前一只基金的两倍。除此之外,地方政府实体将自己的资金投资于地方项目,国有银行再提供贷款。目前,中国的集成电路产量与美国相当,约占全球产量的12%。

当今美国芯片制造业

经过一轮整合和外包浪潮,大多数美国公司已经退出了制造业竞争。现在只剩下三家大公司:英特尔、美光和GlobalFoundries。GlobalFoundries甚至不是一家真正的美国公司,由阿联酋的主权财富基金私有。每个公司都有自己的市场,并不互相竞争。英特尔是一家集成设备制造商,为个人电脑和服务器生产微处理器。Micron生产内存芯片(NAND和DRAM),而Global Foundries是代工厂。但半导体制造业是一个全球性的行业,这三家公司都经营着全球性的晶圆厂。英特尔在美国、爱尔兰和以色列之间轮换新工厂。美光在日本和台湾设有工厂,最近一次大规模投资在新加坡。GF在德国和新加坡也有工厂。

让我们来看看建立一个最先进的半导体工厂所涉及的关键要素。

1>持续资本投资:一个最先进的晶圆厂目前的成本为100亿美元。2019年半导体制造商的资本支出总额为1020亿美元。为了与摩尔定律保持一致,公司必须每两年向市场推出新的技术节点。在这种规模下,一次性增加230亿美元并不会改变游戏规则。还有一个问题是,补贴是如何安排的。过去,例如在太阳能行业,美国的模式是一种复杂的结构,通过信贷、减税等方式使用税法,这是一种效率低下的资本配置方式。

2>工程人才:美国大学培养了大量的工程毕业生,而美国仍然是世界人才的理想目的地(尽管美国政府最近采取了一些措施)。新工厂的人员配置不应成为问题。

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。从这个角度来看,美国作为一个发达国家并不缺乏。

4>供应链:半导体的供应链和最终产品一样是全球性的。一个国家要在制造业上完全实现自给自足是非常困难的。美国在生产设备等关键构件方面处于有利地位,最大的供应商AMAT、LAM和KLA是美国公司。但荷兰公司ASML也垄断了关键的光刻步骤。在材料方面,由于制造过程中使用了数百种化学物质和气体,其中许多都必须来自亚洲,这就很困难了。因此,任何国家真正的端到端自给自足都是白日梦。

谁将在美国建立新工厂?

英特尔一直以来都在积极地进行技术开发和工厂建设。在一些额外的激励措施下,他们很可能会选择美国的投资地点,而不是爱尔兰或以色列。毫不奇怪,英特尔一直在大力游说美国政府支持该行业。然而,即使是英特尔过去也曾尝试过代工模式,但没有取得任何进展。在最近的声明中,他们提到7nm工艺的更多延迟,甚至表明他们愿意利用外部合作伙伴台积电进行代工合作。

美光则通过收购日本和台湾公司,并在新加坡扩张,实现了更大的增长。内存芯片是一种对成本非常敏感的产品,不太可能在短期内再建一家大型美国工厂。

GlobalFoundries已经退出了最新工艺节点的争夺,并专注于一些更为利基的技术和应用,如FDSOI。它也陷入了财政困境,只能靠穆巴达拉集团维持运转。在未来几年内,他们在世界上任何地方都不太可能看到一个新的前沿工厂。

全球玩家:其他全球顶级玩家包括台积电、三星和海力士。三星在奥斯汀有两家工厂,可以想象,如果有足够的动力,它们会在那里扩张。海力士没有在美国运营的历史(他们在中国有一家大型工厂),现在也不太可能开始运营。

台积电(TSMC)曾一度涉足在美国设立工厂的想法,但从未开始付诸实践。尽管最近宣布了对亚利桑那州的投资,但台积电在美国设立晶圆厂的优势除了政治因素之外,很难看到其他原因。就像富士康(Foxconn)在威斯康星州一样,大肆宣传但却没有任何进展,这可能是对未来关税的政治对冲。这可能是对苹果将其供应链也转移到美国的一种肯定。但从纯粹的运营和财务基础来看,此举似乎没有任何优势。

美国能借鉴中国模式吗?

相比之下,中国通常通过直接股权投资或国有银行贷款来筹集资金,这大大加快了新工厂的建设速度。中国企业也愿意亏损经营几年。例如,他们完全主导了太阳能制造业(90%的太阳能电池都是中国制造的),并且已经成为显示器制造业的主要参与者,从韩国和日本那里抢走了份额。

美国必须对联邦和州政府的支持做出类似的长期承诺。但这在我们的政治体制中是非常困难的。再次,以太阳能为例,联邦税收抵免和州政府激励的各种组合被用来启动太阳能产业,这在成本/瓦特不断下降的安装领域起到了作用,但美国在太阳能电池和组件制造方面只是一个小角色。

最后,由于只有前五大集成电路制造商才有能力制造领先代晶圆厂,因此任何政策都必须与这些公司的战略目标保持一致。其中一部分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难持续。

最终,把重点放在一小部分对国家安全有真正影响的关键芯片上,并在必要时继续为它们提供资金,可能会更有意义。不过,大规模将IC制造业转移回美国似乎不太可能。


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