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论美国半导体政策及其影响

作者:半导体产业纵横 来源: 头条号 21501/21

抢建半导体工厂2020 年,由于新冠病毒的出现,远程工作、在线学习、在线购物的需求开始呈现爆发式增长,这导致2021年全球半导体短缺。此外,“谁控制半导体,谁控制世界”的热潮已经到来,在全球范围内掀起兴建半导体工厂的热潮。它以明确的数字表示

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抢建半导体工厂

2020 年,由于新冠病毒的出现,远程工作、在线学习、在线购物的需求开始呈现爆发式增长,这导致2021年全球半导体短缺。此外,“谁控制半导体,谁控制世界”的热潮已经到来,在全球范围内掀起兴建半导体工厂的热潮。

它以明确的数字表示。图1显示了全球以及每个国家和地区的半导体工厂开工数量。放眼全球,2021-2023年将开工建设85家工厂,而2018-2020年为64家。

图 1 全球和每个国家/地区已开工建设的半导体工厂数量

特别是美国(3→18)、欧洲(7→18)、日本(3→6)、东南亚(1→6)工厂开工数量大幅增加。另一方面,相比之下,中国的工厂开工数量(34→20)将急剧下降(括号中的数字表示2018-2020和2021-2023年的开工数量)。

本文重点关注美国的半导体政策,并讨论它如何影响或预计将影响世界。

预测结论如下。美国于2022年10月7日公布的对华条例(以下简称“2022.10.7”条例)是不同维度的强硬措施,将对中国半导体产业造成巨大伤害。笔者推测,台积电决定在美国、日本和德国建代工厂,就是为了分散产能,以防出现这种情况。

第一个转折点“2020年5月14日”

以超过50%的市场占有率在半导体代工领域独领风骚,在尖端微型化领域走在前列的台积电,原本无意在美国建厂,因为美国的半导体生产比中国台湾贵 50%。

然而,2020年5月14日,台积电宣布将投资120亿美元在美国亚利桑那州建设5nm半导体工厂。他们可能是在多次受到美国政府的邀请,并得到提供大量补贴的承诺后,才决定进军美国的。同样在同一天,台积电决定在同年9月14日之后,不再向以5G通信基站征服世界的华为出货半导体。

从台积电各地区的出货额比例来看,包括Apple、Qualcomm、Broadcom、NVIDIA、AMD等大客户在内的美国比例在60%~70%甚至更高(图2)。另一方面,华为是仅次于苹果的第二大客户,2020年Q2在中国的份额为22%,但随着台积电停止向华为出货,同年Q3份额跌至6%。由于无法从台积电采购芯片,华为的智能手机和 5G 基站业务受到重创。

图 2 台积电各地区销售额比例(截至 2022 年第 3 季度)

“2020 年 5 月 14 日”,当该公司进入亚利桑那州并暂停向华为出货时,是台积电加入美国的日子,被认为是半导体历史的转折点。

美国 CHIPS 法案的颁布

2022年8月9日,在“2020年5月14日”两年多之后,美国总统拜登签署了《芯片与科学法案》(CHIPS Act),这是一部促进半导体国内制造的法律正式成立。CHIPS 法案包括对美国半导体制造和研发的 527 亿美元补贴。

图 3 美国 CHIPS 法案补贴的主要候选制造商

美国英特尔将在亚利桑那州和俄亥俄州投资20-300亿美元建设处理器工厂和代工厂。受美国政府邀请的台积电,原计划投资120亿美元,在亚利桑那州建设月产能2万片晶圆的5纳米晶圆代工厂。但在“2022/10/7”规定公布后,决定量产4nm,即5nm的改进版,而不是5nm,并建设第二个3nm工厂。月产能将达到5.5万张,投资金额将增加3.3倍至400亿美元。

与此同时,想要在晶圆代工领域赶超台积电的三星,将投资170亿美元在德克萨斯州建设3nm晶圆代工厂。包括SK海力士在内的SK集团计划向半导体研发中心和清洁能源投资总计220亿美元。

英特尔等宣布,每100亿美元可以补贴30亿美元。因此,这些半导体制造商迫切希望根据 CHIPS 法案获得补贴。

问题浮出水面

然而,一个大问题浮出水面。与CHIPS法案同时出台的还有一份名为《CHIPS法案将降低成本、创造就业、强化供应链》的简报,据透露存在“护栏”。

为确保美国半导体产业的竞争力得到保护,其“护栏”规定“受补贴的公司将在未来 10 年内被禁止投资/扩建中国最先进的芯片制造设施(28 纳米及以上)。”

有了这个“护栏”,台积电在中国南京工厂生产40-16nm逻辑半导体,三星在中国西安工厂生产3D NAND闪存,在中国无锡工厂生产DRAM,英特尔在中国大连的工厂生产 3D NAND 的 SK 海力士,如果根据 CHIPS 法获得补贴,在未来 10 年内将无法对上述中国工厂进行任何投资(1 年暂缓,但不是真正的解决方案)。

其中,台积电在中国的南京工厂占公司产量不到10%,但三星西安工厂生产的3D NAND占公司产量的40%左右。SK海力士的大连工厂约占公司3D NAND的30%,无锡工厂约占公司DRAM的50%。

如果三星和 SK 海力士根据 CHIPS 法案获得补贴,它们将无法在中国投资先进或增产的内存工厂。半导体存储器在两年内保持了一代领先优势,保持了竞争力。因此,对存储器制造商说“不要投资”等同于被告知“去死”。因此,这些韩国厂商陷入了不得不考虑退出中国的境地。

但是,这些韩国厂商在中国有着巨大的市场,而且是应中国政府的要求,在中国的优惠待遇下生产内存。因此,不可能轻易退出。总之,在中美拉锯战中,三星和SK海力士面临着极其艰难的选择。

第二个转折点“2022.10.7”

2022年10月7日,美国宣布对中国实施与以往不同维度的严厉出口管制,“2022年10月7日”。以下是出口限制等,特别是与半导体制造相关的出口限制。

1.美国在“2022 年 10 月 7 日”条例中的目的是遏制中国超级计算机和可用于军事技术的 AI 半导体的发展。

2.禁止出口中国将用于超级计算机和人工智能的高性能半导体(包括 NVIDIA GPU 和 AMD CPU,以及在美国境外使用美国技术制造的半导体)。

3.此外,为防止中国研发和制造先进半导体,禁止出口美国设备(包括其零部件和材料),禁止美国人员(高管、工程师、现场工程师等)参与。

4.尤其是监管网被应用到半导体成膜设备上,此前一直没有受到太多关注。出口受制于规定的薄膜沉积设备时,必须获得美国政府的许可(无论是针对先进半导体制造商还是非先进制造商)。

5.此外,将禁止向中国半导体制造设备制造商出口美国制造的零部件和材料。这与设备制造商是否为尖端半导体无关。

6.在中国的外国半导体制造商(台积电、三星、SK 海力士)也将受到监管。

这里,“3”中的先进半导体定义为16/14nm或更晚的逻辑半导体、18nm或更晚的半间距DRAM和128层或更多层的三维NAND。

美国设备制造商 Applied Materials (AMAT)、Lam Research (Lam) 和 KLA 向这些先进半导体制造商出口设备将被禁止。另外,ASML的曝光设备,其光源由美国Cymer制造,也极有可能被禁止出口。此外,美国盟友日本东京电子公司(TEL)的设备也可能被禁止。

“2022.10.7”法规对中国半导体行业的影响

图4显示了各公司在前端设备中的份额。可以看出,美国、日本和欧洲的设备制造商在各个领域都占据着市场份额。在这种情况下,“2022.10.7”规定将产生怎样的影响?

图4 各公司各前段制程设备市场占有率(2021年)

首先,中芯国际等尖端半导体厂商将无力新建工厂。这是因为禁止向尖端半导体制造商出口非先进设备(甚至禁止办公家具)。

其次,如上节“4”所述,出口半导体成膜设备时,必须获得美国政府的许可。在图4中,AMAT和Lam CVD设备(总份额66.2%)和AMAT溅射设备(86%份额)属于此类。令人惊讶的是,这些薄膜沉积设备的规定非常详细,包括材料(Cu、Co、Ru、TiN、W等)、工艺条件(压力、温度、气体等)、薄膜厚度等。目前是许可制而不是禁运,但好像随时都可能被禁运。

到目前为止,美国对中国的监管主要集中在小型化方面,例如“禁止能够制造 16/14 纳米或更高版本的设备”。但是,“2022.10.7”规定不仅适用于微细加工相关的曝光设备和干法刻蚀设备,还适用于成膜设备。如果沉积设备的出口申请未获批准(这似乎很有可能),中国半导体制造商(先进和非先进)将不得不建设新工厂。变得困难。如果发生这种情况,许多将在2021年至2023年开始建设的中国半导体工厂,如开头图1所示,将无法安装设备,无法制造半导体。

此外,“2022.10.7”规定禁止美国制造的各种设备耗材出口,美国现场工程师再也无法支持设备运行。

例如,在一个月产10万片硅片的半导体工厂里,有500到1000台各类设备在运转。由于这些都是精密设备,只有各设备制造商的现场工程师进行故障排除和定期维护,才能正常运行。

当现场工程师离开且耗材部件不再可用时,设备最终将停止工作。这意味着半导体工厂关闭。换言之,可以说“2022.10.7”规定可能会导致目前正在运营的中国半导体工厂停工。

那么,中国能否研发国产设备,制造半导体,就成了难点。

对设备制造商和材料制造商的影响

“2022年10月7日”规定对于中国半导体产业来说将是一剂致命的毒药,但对美国、日本和欧洲的设备制造商和材料制造商的损害也将是巨大的。图 5显示了各地区设备市场的趋势。2020年以来,中国的设备市场已经超过中国台湾和韩国,成为全球第一大设备市场。

图 5 各地区半导体制造设备市场(至 2021 年)

2021年中国296.2亿美元,韩国249.8亿美元,中国台湾249.4亿美元,日本78.0亿美元,美国76.1亿美元,欧洲32.5亿美元,中国市场还包括台积电、三星和SK海力士工厂)。

但是,由于“2022.10.7”的规定,在中国建立新的(尤其是尖端的)半导体工厂将变得困难重重。因此,中国的设备市场将大大减少。我预计损失约为 100 亿美元。而如果中国的设备市场快速萎缩,美国、日本、欧洲的所有设备制造商的销售额都会下降。设备销售额较大的AMAT、ASML、TEL、Lam和KLA预计将出现数亿至数十亿美元的下滑。

此外,在中国,不仅不可能新建半导体工厂,现有的半导体工厂也有可能停产。如果发生这种情况,晶圆、抗蚀剂、CMP浆料和各种化学品等材料业务将受到很大损害。如图6所示,日本企业在半导体材料市场占有率高的领域有很多。因此,对于日本的材料制造商来说,这将是一个艰难的局面。

图6 各公司前处理材料市场份额及日本市场份额(2020年)

2022年12月6日在台积电亚利桑那工厂举行开工仪式时,台积电创始人张忠谋说,“全球主义自由贸易几乎死了,很多人希望它能再次复活,但我认为不会。”

考虑到“2022.10.7”规定的内容,有不同程度的严苛,影响之大,我不得不同意张忠谋先生的说法。

为什么台积电要在美国、日本和德国建厂

如前所述,台积电将在美国亚利桑那州建设中的工厂制造4nm,即5nm的改进版,同时还将建设第二座3nm工厂。总月产能为5.5万张,总投资为400亿美元,是初始投资额的3.3倍(图7)。

图7 台积电各地区半导体产能

此外,台积电目前正在日本熊本建设28/22~16/14nm工厂,并浮出水面建设第二工厂的谈判。有传言称,第二家工厂将是7nm先进半导体。此外,台积电正考虑投资数十亿美元在德国建设28/22纳米晶圆厂。

为什么台积电要在美国、日本和德国建厂?一开始,台积电应该是不愿意在其他国家或地区建代工厂的。然而,一个完整的转折点,决定在美国、日本和德国建立代工厂。

这样做的原因现在应该很清楚了。由于美国宣布过于严格的“2022年10月7日”规定。台积电决定将其半导体生产基地分布到其他国家和地区(有保险的意思)。

现代人类文明是由半导体支撑的。其中,7nm及一下尖端半导体有92%由台积电制造,因此台积电极为重要。没有台积电的尖端技术,就无法制造最新的iPhone、高性能计算机和人工智能半导体。人类文明的进步,离不开台积电的微细加工技术。

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