美国芯片制造业重获优势

随着贸易紧张局势和国家安全担忧持续加剧，美国正在制定新的战略，以防止其在半导体制造方面进一步落后于韩国、台湾，甚至可能落后于中国。

多年来，美国一直是gpu和微处理器等新芯片产品开发的领导者。但从芯片制造的角度来看，美国在两个关键领域正在失去优势。首先，英特尔和美国晶圆代工厂在工艺技术方面落后于他们的亚洲竞争对手台积电和三星。中国也在缩小与美国的差距。其次，美国的新晶圆厂和产能大幅下降。

美国并非在所有制造业领域都落后。但芯片制造对于保持技术领先地位至关重要，无论是从供应链和经济角度来看，还是从安全角度来看。

多年来，美国公司在开发新芯片产品并在自己的晶圆厂生产这些产品方面一直处于领先地位。直到2011年，英特尔推出了第一个22nm的finfet，他们在工艺技术方面处于领先地位，这是芯片缩放的关键因素。每一个新的进程都可以实现更小、更快的设备。

但时代已经变了。如今，技术领域的动态已经大不相同，美国也出现了一些令人担忧的趋势Mentor是西门子旗下的企业．“更重要的是在提供尖端代工服务方面的领导力，这远远不只是制造。”

这是一个复杂的问题，有许多不同的方面。例如，在一个方面，美国在曾经的制模技术方面落后。美国科技巨头英特尔(Intel)最近推迟了其新工艺，导致其在这方面进一步落后于台积电(TSMC)和三星(Samsung)。

虽然英特尔发誓将解决问题并恢复正常，但这涉及国家安全问题。对美国国防部、军事/航空公司以及商业竞争力来说，拥有领先的国内工艺至关重要。半导体顾问公司(Semiconductor Advisors)总裁罗伯特·梅尔(Robert Maire)在最近的一次演讲中表示:“你主宰了芯片，就主宰了国防、技术和情报行业。”“显然，这与全球主导地位密切相关。美国如此占据主导地位的原因之一是我们的技术，而这植根于半导体行业。”

与此同时，芯片制造商继续以低于亚洲竞争对手的速度在美国建造新晶圆厂。根据美国半导体工业协会(SIA)和波士顿咨询集团(BCG)的数据，美国在全球晶圆厂装机容量中的份额已从1990年的37%下降到2020年的12%。在同一时期，亚洲新晶圆厂的发展迅速增长，目前占全球产能的80%。

尤其是中国，在半导体领域有着非常雄心勃勃的计划。在1500亿美元资金的支持下，该国正在发展国内集成电路产业，并计划制造更多自己的芯片。更糟糕的是，包括中国大陆、香港和台湾在内的大中华区是一个地缘政治热点，而美中贸易战加剧了该地区的紧张局势，今天所有领先的工艺技术都位于该地区。任何中断都将对美国获得前沿工艺技术产生重大影响。

图1:1990-2030年全球半导体制造业份额。来源:新航

美国政策制定者认识到在国内建立更多晶圆厂的必要性，但这是一项昂贵的事业。一家领先的晶圆厂的成本在100亿至200亿美元之间，而且投资回报无法保证。虽然制造业至关重要，但它只是竞争方程式的一部分。总部位于美国的公司继续在芯片设计、专业工艺、EDA工具和晶圆厂设备方面处于领先地位。

不过，政府正在采取措施，在各方面增强美国的竞争力。其中包括:

• 美国国会提出了一项激励计划，鼓励在美国兴建新的晶圆厂。
• 美国希望建立一个芯片财团。
• GlobalFoundries和英特尔正在升级他们的技术，台积电计划在美国建立一个新的尖端晶圆厂。
• 英特尔已经成立了一个新的商业实体来开发基于芯片的设计。将芯片集成在先进封装中的小芯片(Chiplets)正成为美国保持竞争力的另一种方式。

招聘:更多的美国晶圆厂
在集成电路行业中，公司在众多不同的市场中竞争。与此同时，国家之间在几个不同的领域存在竞争。例如，在技术方面，各个国家都在争夺5G、人工智能和量子计算的优势。

中国的议程重新点燃了半导体领域的全球竞争。要理解这里的动态，回顾一下过去会有所帮助。

几十年来，集成电路行业一直紧随其后摩尔定律这一公理指出，芯片中的晶体管密度每18至24个月就会翻一番。今天的芯片在同一个设备上有数十亿个微型晶体管。“晶体管本质上是一个开关，”纳瑞莎·德尔格解释道林的研究在一篇博客中。场效应晶体管利用电场通过通道来控制导电性。

因此，在过去的半个世纪里，芯片制造商一直遵循摩尔定律，这使得他们能够在一个芯片上封装更多的功能。这推动了手机、电脑和其他产品的增长。

不过，在半导体行业的早期，这项技术还很初级。1965年，戈登·摩尔发表了他标志性的观察，芯片是在1.25英寸(30毫米)的晶圆上生产的。当时，建造一个晶圆厂花费了100万美元。

然后，几十年来，大多数芯片制造商都在自己的晶圆厂生产芯片，随着时间的推移，也转向了更大的晶圆尺寸。通过转向更大的晶圆尺寸，供应商生产了2.2倍的晶圆模具数量，使他们能够降低制造成本。但更大的晶圆也需要更大的晶圆厂和更昂贵的设备。

随着时间的推移，半导体需求激增，但晶圆厂和工艺成本也随之飙升。从21世纪初开始，芯片制造商从200毫米晶圆厂迁移到现代的300毫米晶圆厂。最初，建造300毫米晶圆厂的成本为20亿美元，而200毫米晶圆厂的成本为7亿至13亿美元。

根据IBS的数据，2001年，有18家芯片制造商拥有可以加工130纳米芯片的晶圆厂，这在当时是领先的工艺。

突然，风景变了。那时，亚洲和其他地区出现了几家代工供应商，为外部客户提供芯片制造服务。那时候，代工厂在技术上落后。

尽管如此，代工模式在21世纪开始腾飞。最初，无晶圆厂设计公司接受了代工厂。SIA和波士顿咨询集团的一份报告称:“半导体行业已经看到了无晶圆厂模式的崛起。”(作者是安东尼奥·瓦拉斯、拉杰·瓦拉达拉詹、吉米·古德里奇和法兰·伊努格。)

在此期间，美国和其他地区的许多芯片制造商无力再开发新的晶圆厂和工艺。作为回应，一些芯片制造商转向了微晶圆厂。在这种模式下，供应商在自己的晶圆厂生产一些芯片，而将其他设备外包给代工厂。一些公司不再生产晶圆厂，甚至完全退出了这个行业。

然而，英特尔和其他公司保留了自己的晶圆厂，称这给了他们竞争优势。

不过，随着时间的推移，制造业的钟摆向亚洲倾斜。早些时候，几个亚洲国家用税收减免和激励措施支持本国芯片公司。这推动了中国大陆、韩国、台湾和新加坡的晶圆厂热潮。SIA和波士顿咨询集团的报告称:“政府政策是亚洲经济强劲增长的一个主要因素。”

这些投资已经产生了巨大的回报。根据SIA和波士顿咨询集团的数据，台湾是全球晶圆厂产能的领导者，2020年将占22%的份额，其次是韩国(21%)、日本(15%)、中国大陆(15%)、美国(12%)和欧洲(9%)。

不过，值得关注的是中国。中国正以补贴的形式向国内芯片设计和制造部门投入数十亿美元。根据SIA和波士顿咨询集团的数据，中国的晶圆厂产能份额将从2000年的3%跃升至2020年的15%，超过美国。

中国在技术上落后，但正在积极追赶。“中国正在建设十多家新晶圆厂，”晶圆首席产品官彭国强(Leo Pang)表示d2．“然而，中国仍面临许多挑战，包括在半导体制造业需要更多的人才和知识产权，以及需要进一步缩小在领先工艺技术方面的差距。”

中国在扩张，美国却停滞不前。根据SEMI的数据，到2020年，美洲地区总共有76个生产晶圆厂，低于2010年的81个。“这包括来自非美国的美国晶圆厂产能。公司，如三星，NXP，英飞凌，X-Fab, Tower，台积电和博通。它还包括GlobalFoundries，”迪塞尔多夫(Christian Dieseldorff)表示半．

不包括非美国国家。迪塞尔多夫表示，在美国企业的晶圆厂产能中，美国企业所占的份额将降至10%。SIA和BCG的数据显示，总体而言，美国在晶圆厂产能中所占的份额是一个混合包，模拟芯片占30%，逻辑芯片占12%，内存芯片占5%。

不过，据SEMI称，美国仍有新的晶圆厂项目在进行中。它们包括:

• Cree: SiC器件(纽约)
• GlobalFoundries: Foundry(纽约)
• 英特尔:Logic(俄勒冈州)
• TI: Analog(德州)
• 台积电:Foundry(亚利桑那州)

展望未来，出于国家安全和供应链的考虑，美国希望建造更多晶圆厂。SIA总裁兼首席执行官约翰·诺伊弗(John Neuffer)表示:“随着全球竞争对手大举投资，以吸引先进的半导体制造业到美国本土，美国必须参与进来，使我们的国家在生产这种具有重要战略意义的技术方面更具竞争力。”“在过去30年里，美国在全球半导体制造业中所占的比例急剧下降，主要是因为其他国家提供了巨大的政府激励措施，而美国没有。与此同时，联邦政府在半导体研究方面的投资占GDP的比例一直持平，现在只是美国半导体公司研发投资的一小部分，2019年美国半导体公司的研发投资总额接近400亿美元。美国有机会真正扭转局势，促进国内芯片制造和研究，这将加强美国芯片技术和我们国家的经济、国家安全、供应链弹性，并应对像大流行这样的未来危机。”

有一些解决方案，包括美国国会提出的一项法案。这项名为《为美国生产半导体创造有利激励措施法案》(CHIPS)的法案要求拨款100亿美元，用于新的联邦拨款计划，以激励在美国建造新的晶圆厂。它还包括投资税收抵免。这一计划总共耗资220亿美元。

然而，今天，该法案被困在国会，不清楚它是否会飞起来。此外，该法案力度太小，也太迟了。根据SIA和波士顿咨询集团的数据，为了保持竞争力，美国半导体行业需要500亿美元的激励计划，但即使是这个数字也不够。

这只能勉强支付几个晶圆厂的费用。例如，在台湾，台积电正在为其3nm工艺建造一个300毫米晶圆厂，耗资195亿美元。

此外，在美国建造新晶圆厂的成本比亚洲更高。其他国家提供了更好的激励措施。因此，虽然英特尔正在亚利桑那州扩建其新的Fab 42工厂，但由于爱尔兰和以色列的激励措施，它也计划在这些国家建造新的晶圆厂。

尽管如此，英特尔和其他公司认为，CHIPS法案是一个良好的开端，以某种形式激励是必要的。“我们现在在美国的份额是12%，”美国政策与技术事务组织副总裁格雷格·斯莱特说英特尔．“未来十年，这一比例可能会降至10%以下。当然，这种情况将持续下去，除非我们通过政府激励措施扭转这种局面。”

事情没那么简单。“美国晶圆厂产能增长超过12%可以得到补贴，但这对行业有利吗?Semico Research的分析师阿德里安娜·唐尼(Adrienne Downey)问道。“在过去的5到10年里，该行业在运力管理方面做得很好。内存市场就是一个很好的例子。有效地管理产能意味着更稳定的asp /收益。过去，政府补贴的晶圆厂导致了产能失衡。”

还有其他问题。“当今行业中很少有公司能填满200亿美元的晶圆厂。台积电成功地填补了他们的晶圆厂，因为他们有数百个客户和数千种产品。仅仅增加产能并不能保证在该行业获得成功的区域地位。

无论如何，如果美国在半导体制造业方面不采取行动，将会产生经济后果。“这意味着新技术和创新的增长将逐渐转移到美国一直处于领先地位的世界其他地区，”Mentor的莱茵斯说。“中国最近的风险资本投资超过了美国，但要赶上美国还需要一段时间。问题是，如果美国的风险投资下降，即使有联邦补贴抵消，技术创新也会逐渐消失。这意味着终端设备的创新也将逐渐消失。这意味着经济和就业增长将放缓。”

过程竞赛
与此同时，美国芯片制造商在III-V、模拟和射频等特殊工艺方面保持着自己的优势。美国在28纳米/22纳米及以上的成熟逻辑工艺方面实力雄厚。"美国仍有一批成熟产品仍在美国生产，" Semico的Downey称。“在大多数电子设备中，每个领先的芯片都需要至少5-10个成熟的芯片来配合。Qorvo、ON Semi、NXP、ADI、Broadcom、Skyworks和Microchip等公司都在美国设有晶圆厂。SkyWater是一家晶圆代工厂，通过提供创新的选择和帮助开发新的解决方案，为旧的晶圆厂注入新活力的例子。”

但美国在领先的逻辑/代工工艺方面落后。事情并不总是这样的。多年来，英特尔一直是工艺技术的领导者，但它并不是唯一的竞争者。如前所述，在2001年，有18家芯片制造商可以加工领先的130纳米芯片。

随着时间的推移，流程成本不断上升，越来越少的参与者有能力在高级节点上开发前沿技术。

最大的变化发生在20nm，这时传统的平面晶体管碰壁了。作为回应，英特尔在2011年转向了22nm的下一代finFET晶体管。晶圆代工厂转向16nm/14nm的finfet。(英特尔的22nm工艺相当于代工厂生产的16nm/14nm工艺。)

图2:FinFET vs. planar。来源:Lam Research

finfet以更低的功率提供更高的性能，但它们的制造难度和成本也更高。该公司副总裁兼副总经理Ben Rathsack表示:“这是因为制造该设备所需的处理步骤太多。美国电话号码．

finfet也缩小了制造基地。只有六家代工厂/ idm有资源迁移到16nm/14nm的finfet。这些供应商包括GlobalFoundries、英特尔、三星、台积电和联电。中国的中芯国际最近进入了14纳米finFET市场。

与此同时，在2016年，英特尔希望通过推出10nm finFET工艺来扩大其在逻辑技术方面的领先地位。但由于各种各样的问题，英特尔两次推迟了10nm工艺，最终在2019年推出了基于该技术的处理器，比预期晚了大约两年。

在英特尔10纳米延迟的情况下，台积电在2018年初推出了全球首个7纳米finFET工艺，在技术上超越英特尔。后来，三星推出了7nm芯片。(英特尔的10nm工艺大致相当于代工厂的7nm工艺。)

这很重要，有几个原因。英特尔是代工业务的一个小玩家，并不完全与台积电竞争。不过，台积电为英特尔的竞争对手AMD和英伟达提供代工服务。因此，英特尔的竞争对手突然在工艺技术上占了上风。

还有其他的变化。2018年，GlobalFoundries和联华电子停止了各自的7nm计划。7nm技术的开发需要巨额投资，但两家厂商都表示回报值得怀疑。这两家公司仍然活跃在16nm/14nm及以上的工艺上。

尽管如此，7纳米技术的洗牌将生产基地缩小到只有三家10纳米/7纳米的公司——英特尔、三星和台积电。但随后，情况又发生了变化。

2020年初，台积电和三星开始出货5nm芯片。与此同时，英特尔推迟了7纳米工艺，进一步落后于两个竞争对手。中芯国际还在开发类似7nm的工艺，目前仍处于研发阶段。最近，中芯国际首次完成了来自中国IP供应商Innosilicon的类似7nm工艺的试制。

“很明显，英特尔在这方面遇到了挫折，现在看起来至少要推迟6个月，甚至一年，才能实现7纳米技术，”Semiconductor Advisors的Maire说。“根据摩尔定律，英特尔显然落后于台积电，而不是与台积电并驾齐驱。GlobalFoundries，显然，被冻结在原地，停留在14nm的时间。所以我们在美国已经没有跟上速度的代工厂或IDM了。”

美国并没有停滞不前。英特尔发誓会解决这个问题，并最终推出7nm芯片。该公司还在考虑将部分7纳米工艺外包给代工厂的计划。

然后，在重新获得优势的另一项努力中，英特尔希望建立一个美国芯片财团。作为计划的一部分，英特尔已提议在政府的支持下运营一家美国晶圆代工厂。目前还不清楚这个计划是否会成功。

最近,GlobalFoundries为其在纽约州的300毫米晶圆厂附近的主要扩张计划获得了新土地。GlobalFoundries高级副总裁兼总经理罗恩·桑普森(Ron Sampson)表示:“在我们国家首都对半导体制造业投资的共识日益增强的情况下，比以往任何时候都更重要的是，我们已经准备好快速跟踪我们在美国最先进的制造工厂的增长计划。”

也许美国真正的希望在于台积电，该公司计划在亚利桑那州建立一个新的领先的5nm晶圆厂。该工厂计划于2024年投产。

不过，目前还不清楚美国能否在工艺技术方面重新获得竞争力，也不清楚哪家公司将在美国代工行业占据领先地位。

“我们在以晶圆代工为基础的制造领域落后，可能在所有半导体制造领域都落后。我们落后了，但在相对较短的时间内，我们没有什么不能赶上的，”Mentor的Rhines说。“在代工方面，我们必须依靠GlobalFoundries或台积电在美国的业务。政府可能会选择英特尔。但即使你能在美国获得可行的代工服务，如果你不能把产品卖给世界上最大的客户，这对你真的没有多大帮助。”

小纸片时间到了
展望未来，来自不同国家的几家公司将继续在工艺技术竞赛中竞争。但这并不是保持竞争力的唯一途径。

通常，为了改进设计，业界会使用芯片缩放来开发ASIC，将不同的功能安装到单个单片芯片上。但是在每个节点上扩展变得更加困难和昂贵，并且仅从扩展中获得的功率和性能收益正在减少。对于每个低于7nm的新节点，单是扩展就可以将性能提高约10%到20%，而架构变化、专用加速器和软硬件协同设计可以将性能提高10到1000倍。

此外，并不是芯片的所有部分都能从缩放中受益。数字逻辑当然有，但模拟组件没有。因此，整个行业正在转向将复杂的模具封装在高级封装中，而不是将所有东西都缩小并放在单个模具上。

今天，公司、铸造厂和OSATs从几个国家正在追求chiplet策略，即芯片制造商可能在库中拥有模块化芯片或小芯片的菜单。客户可以混合和匹配这些芯片，并将它们集成到现有的高级包或新架构中。

AMD、英特尔和其他公司已经开发出类似芯片的设计，以较低的成本达到或超过ASIC的功能。但随着越来越多的芯片由第三方开发并在多个市场上销售，边缘计算等新领域的市场主导地位将被争夺。

这种势头还在继续壮大。例如，英特尔公司已经获得了国防部芯片项目的新合同，称为最先进的异构集成原型(SHIP)项目。根据该计划，英特尔在美国建立了一个新的芯片商业实体。该项目为客户提供了英特尔的封装能力，包括国防部和国防社区。

国防部研究与工程副部长办公室微电子学主任Nicole Petta说:“路线图优先考虑并认识到，随着工艺规模放缓，异构组装技术对国防部和我们国家都是一项关键投资。”

结论
对竞争力的定义正变得越来越复杂。用于逻辑的流程扩展将继续至关重要，但高级封装也变得越来越重要。

来自不同国家的公司需要同时发展这两方面。反过来，这将推动新的增长。但从技术的角度来看，美国仍需迎头赶上。问题是是否有政治意愿和/或企业回报来实现这一目标，到目前为止答案还不清楚。

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