技经观察 中美半导体:以眼还眼,以牙还牙

 

本文首先简要介绍了自20世纪80年代以来半导体产业价值链的演变,其次对中美两国的EDA行业进行了研究,最后,作者为美国提出了与中国进行技术竞争的替代方法,即加强自身半导体发展,而不是试图摧毁中国的半导体能力。...



本文是约翰霍普金斯大学应用物理实验室“三思而后行:评估中美技术联系”系列文章的一部分。本文首先简要介绍了自20世纪80年代以来半导体产业价值链的演变,重点阐释了全球半导体产业重组如何帮助美国在面对日本竞争的情境下完成产业复兴。这为思考当前“中美脱钩”和“去全球化”提供了重要背景。其次,本文对中美两国的电子设计自动化(EDA)行业进行了研究,探讨了如果美国对华为的出口管制得到全面实施,华为将如何推进EDA发展。结论部分,作者提出一个疑问:即使美国延续现行的严格管制措施,该措施是否会如预期那样对华为产生影响?最后,作者为美国提出了与中国进行技术竞争的替代方法,即加强自身半导体发展,而不是试图摧毁中国的半导体能力。
                 全文框架                    


半导体是电信、AI计算及许多其他高科技产品的核心部件。因此,美国在遏制华为发展政策中将半导体放在首要位置也就不足为奇了。2019年5月,美国政府将华为及其附属公司列入“实体名单”,试图切断华为与美国半导体技术的联系。2020年5月15日,美国政府进一步限制华为进入美国在半导体价值链上独占鳌头的两个领域:芯片生产的设备和芯片设计的电子设计自动化(EDA)。2020年8月17日美国政府进一步收紧了对华为的限制。
半导体产业结构的演变


在美国,要求与中国“脱钩”的声音成为主流,但半导体行业发展的历史证明,全球化比技术民族主义更能带来光明前景。20世纪90年代,美国选择了前者,日本则选择了后者,与此相伴而生的是两种不同的结果。

美国半导体产业在20世纪80年代中后期从濒临破产的边缘取得惊人复兴成就的部分原因就是,美国工业愿意改变半导体价值链。十多年来,集成设备制造商(IDMs)在很大程度上让位于专注于细分半导体价值链的组织,其中主要是专注于零件制造的纯晶圆代工厂和专注于芯片设计的专业设计公司。半导体产业重组成为经典的全球价值链,巩固了美国在电子设计自动化(EDA)上近乎垄断的地位,增强了美国半导体资本设备制造商的竞争地位,为全球半导体产业链取得多赢的局面。



而反观20世纪七八十年代的日本半导体产业,他们则更青睐本国的设备供应商,这在一定程度上导致了日本半导体行业的衰落。
电子设计自动化(EDA)


EDA行业的发展



在20世纪80年代之前,计算机辅助设计(CAD)功能通常与其必要的硬件工作站一同销售。而基于软件的EDA产业仍是一个新兴事物,如今EDA三大供应商明导(Mentor Graphics)、楷登电子(Cadence)及新思科技(Synopsys)均诞生于20世纪80年代。

四件事的发生促成了如今所知的基于软件的EDA产业:

首先,涵盖所有重要设计功能的软件工具的迅速发展,使拥有一整套设计流程的EDA工具成为可能。

其次,强大且多功能工作站的兴起让专注软件的EDA公司获得了竞争优势。

第三,EDA工具的标准化使其在商业市场中获得广泛认可。

最后,为无晶圆厂设计公司制造芯片的纯晶圆厂的成熟,使无晶圆厂的设计公司更加依赖于EDA供应商的设计工具。
Cadence(CDNS)和Synopsys(SNPS)“核心” EDA市场份额,2013–2019年


目前,在集成电路(IC)设计行业上有三个特点:

第一,为了跟上市场的步伐,最大的两家供应商Cadence和Synopsys每年都会将30%甚至更多的收入用于研发。因此,EDA产业还没有出现一个垄断寡头,而是被三家大厂商分割。

第二,三大EDA供应商都在设计流程的某个特定环节具有独特的优势。因此,对于企业来说最佳方案是统筹使用来自这三个供应商的工具。

第三,许多EDA初创企业可以为特定的设计任务提供特定工具,但由于这些初创企业通常不会生产更多样的工具,因此它们的竞争优势非常有限。这些初创企业的最佳结局往往是被占主导地位的公司所收购。

综合以上情况,一旦华为与三大EDA工具供应商的现有合同到期,华为将被禁止合法使用三大EDA供应商的产品。而一旦失去EDA供应商的支持,华为将无法有效地设计芯片。
2014-2018年EDA研发在半导体研发总支出中的份额


中国EDA的发展



中国政府致力于推动集成电路产业发展的政策可以追溯到其第七个五年计划(1986-1990)。中国最早的国有设计公司——华大,就成立于1986年。从2000年到2013年,政府进一步推动对集成电路设计和制造的支持政策,包括一些产业税收优惠政策和一批国家芯片采购项目,如“金卡工程”。尽管华大是这些采购项目的主要受益者,但还是无法扩展到广泛的商业市场。

中国EDA的发展困境并不仅仅局限于难以与三大EDA供应商在过去几十年创造的产品范围相匹配。更重要的是,“三巨头”与代工厂间有着紧密联系,这使巨头企业能够及时掌握制造方面的变化,使其软件可以跟上最新的工艺技术,从而领先于潜在的竞争对手。
对于那些依赖本土市场的小厂商来说,版权仍然是个问题。部分原因在于中国对知识产权保护不完善,但更重要的是,一些较小的厂商允许用户下载其产品,而不是通过许可密钥访问。这种访问方式为软件的非法复制提供了便宜。

此外,中国最好的软件应用工程师更倾向于在腾讯、阿里巴巴等其他互联网公司名利双收,而不想在EDA公司默默无闻地工作。目前,中国本土EDA供应商雇佣的EDA工具开发工程师只有300人左右,而Synopsys在世界范围内雇佣了5000多名这样的工程师。
短期来看,中国本土企业还无法填补本土EDA空白,华为想要与美国EDA企业“脱钩”基本是不可能的。

华为和EDA供应商的应对



如果美国的管控措施得到全面施行,且没有授予“三巨头”向华为销售EDA工具的许可证,华为将无法合法使用三大EDA工具。中国或其他外国厂商都无法充分填补这一空白,这可能使华为的海思半导体无法继续合法设计芯片。由于“三巨头”绝大多数的EDA工具都是通过提供许可密钥访问的,因此获得对三大EDA工具进行非法访问的首选方法是破解许可密钥。如果华为真的走投无路,或许可以选择破解密钥的方法。
如果华为这样做,EDA供应商会走法律途径吗?答案是不会。从EDA公司的角度来看,华为继续使用他们的工具而不支付费用比华为试图开发替代EDA工具供应商更可取。EDA供应商一方面对黑客行为睁一只眼闭一只眼,另一方面寄希望于政府在未来放松管控,这可能是三大厂商最明智的做法。不过笔者认为,华为应该不会采取这一极端手段。
用于制造的资本设备


制造芯片所需的设备是IC价值链上技术最密集的部分之一,也是中国受美国限制的主要痛点。加工芯片涉及到多个流程,每个流程都需要不同的设备来完成,而不同的设备又由不同的供应商主导。

美国半导体资本设备公司



当前,美国半导体资本设备公司已占到全球IC资本设备收入的52%。相比之下,日本占比27%,欧洲则仅占比17%。以晶圆设备生产商为例,全球最大的五家公司中有三家都是美国公司(参见下图),它们分别是应用材料(Applied Materials)、泛林集团(Lam Research)以及科磊(KLA)。
2018年全球领先的晶圆设备生产商


此外,在晶圆制造产品线的各个环节,美国公司都占有较大的市场份额(参见下表)。美国在半导体领域的全球领先地位可见一斑。
2018年
美国公司
在晶圆设备制造所占份额


历史上,政府补贴一直在生产制造的过程中发挥着重要作用,但企业始终是企业,保持着商业的基础。然而,随着中美技术竞争的加剧,企业也渐渐蒙上了政治的色彩。

当前,值得关注的是,中国已经成为IC资本设备的主要市场,未来也将如此。即使保守估计中国的市场份额,目前,中国也已达到了与美国相当的规模。据统计,2007到2021年,中国在全球半导体制造的市场份额增长了13.4%,而同期美国的份额则缩减了超过5.6%(部分数据参见下图)。到2018年底,中国的装机容量占全球总份额的12%,仅次于美国的13%。
主要国家半导体市场需求份额


在这种情况下,如果美国为保护其自身利益而彻底切断华为的供应,那么华为必将遭受重创。试问,放眼全球的半导体设备制造公司,要想设计一条和美国公司同等水准的生产线来供应华为的生产,需要多长时间?就算不在未开发的场地上从盖楼开始,直接搬入新的工厂安置设备并启动运行也需要12到15个月的时间。如果有一些设备无法直接从非美国的公司购入使用,那么还要加上制造这些设备的时间,大约又需要15个月。所以,搭建这样的生产线,至少也需要超过3年的时间。华为当然是等不了的,因为华为目前的芯片库存是万万不可能维持如此长时间的运营的。

中国IC资本设备制造商



在过去的三十年中,中国一直通过各种政策积极鼓励制造业生产,如1991年的908项目、2019年的大基金二期等。在这些政策的推动下,中国在全球的制造份额从2000年的不到1%增加到2018年的12%。2019年,中国半导体资本设备支出达到180亿美元,占全球资本设备总支出的20%。

目前,中国生产商正在生产用于晶圆制造的“非关键”设备。换句话说,中国并没有与应用材料和泛林集团在蚀刻与沉积等同类产品展开竞争。据估计,2018年中国国内生产商支出仅占中国半导体设备总支出的5%-10%。

实际上,大多数中国国内生产商都只生产1-2种半导体设备,只有北方华创(NAURA)和中微半导体(AMEC)在生产多种设备(参见下表)。
中国半导体资本设备生产商


北方华创的发展得益于许多中国国有半导体资本设备公司的合并以及对美国半导体公司Akrion的收购。它的控股股东是北京市政府。2018年,该公司的报告称,其半导体设备销售额不足3亿美元,相比之下,美国应用材料公司2018年的销售收入超过了170亿美元。中微半导体的情况同样不容乐观,中微是中国第三大的LED生产商,但其在蚀刻市场的份额也仅5亿美元,占比约为1%,收入仅8000万美元。

如此巨大的差额说明,即使作为中国最有潜力、最大的资本设备生产商,也仍是该领域的小兵小卒。虽然这些公司在未来的某一天可能会具有相当的竞争力,但距离这一天显然还有很长的一段路要走。

美国断供华为激起的反应



短期内,没有任何一家生产商能够代替美国为华为供应芯片。如果有公司冒险“非法”使用美国设备为华为生产芯片,那么美国将停止为该公司提供资本设备。因此,美国对华为的限制将可能使华为的整个生产过程停滞或使其效率大打折扣。

然而,单就2019年而言,台积电就获得了华为超过100亿美元的订单,所以尽管美国实施了严格的出口管制,台积电仍期望完成华为的芯片订单。同时,美国打击华为的行为激发中国政府加大了对华为的财政支持力度,借助国家的补贴,华为的生产能力得以维持,相应也使台积电和三星公司愿意实现去美国化生产。并且,台积电和三星两家公司也都是各自国内最领先的半导体生产商,二者也都有可能获得国家政府的扶持,以保留或吸引华为作为其客户。此外,仅次于美国的半导体资本设备生产国日本,很可能会借助这个“鹬蚌相争”的机会而“渔翁得利”,重新取得在该领域的竞争优势。
未来的策略
如果美国一开始的目的是阻止华为窃取美国的技术,那么美国从供应商层面切断华为的供应将可能产生相反的效果。那些积极推动扩大《实体清单》的人的真正目的,是想要通过摧毁华为的电信基础设施来增强美国的国家安全。而这一目的是错误的。

与其建议扩大《实体清单》的控制范围,不如建议美国重新振兴其国内的IC产业。具体措施包括:

  • 将部分财政补贴用于设计与制造工程师的企业培训,以增加员工留职率和IC行业的劳动力。
  • 扩大联邦政府研发投资。尽管目前的投资为美国的GDP增贡献了16倍的收益,但半导体行业在芯片研发上投入的总资金是联邦政府投入资金的25倍之多。
  • 改革美国签证制度。使愿意在美国IC行业工作的优秀人才能够留下。
  • 最后,美国政府应补贴美国集成设备制造商(IDMs)和晶圆厂在先进制造业中的投资。否则美国公司将无法与日本、韩国进行竞争,很快也将无法同中国竞争。


不仅如此,除了行业层面的措施外,解决美元负担过重的问题也至关重要。如果不解决这些问题,那么再完美的美国工业复苏计划也将是徒劳的。
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作者简介

翟丽影 国务院发展研究中心国际技术经济研究所数据部,研究助理

联系方式:zhaily@drciite.org

刘瑾 国务院发展研究中心国际技术经济研究所数据部,研究助理

联系方式:liujin@drciite.org

作者丨刘瑾 翟丽影

编辑丨刘瑾

研究所简介

国际技术经济研究所(IITE)成立于1985年11月,是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构,主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题,跟踪和分析世界科技、经济发展态势,为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号,致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。

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