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美国造芯背后的博弈


【介绍】 发布时间:2022-07-27 12:29:41 作者:m6米乐app地址 来源:m6米乐官网注册链接

  两年前,新冠疫情暴发,很多人不得不在网上工作和学习,导致对笔记本电脑和智能手机的需求激增。在汽车越来越智能化的关键时刻,这些电子消费品消耗了芯片——留给汽车制造商的芯片太少了。

  Autoblog援引路透社报道,芯片制造商美光科技(Micron)和超威半导体(AMD)表示,不断上升的通货膨胀使全球经济放缓,反过来导致对笔记本电脑和智能手机需求减少。

  权威调研机构Gartner高级主管分析师兰吉特·阿特瓦尔(Ranjit Atwal)认为,智能手机和个人电脑销量下滑,有望使今年芯片短缺情况得到缓解。此前他预计的时间是明年,认为智能手机市场下滑,不会被汽车制造商芯片需求激增所抵销。

  2022年7月7日,美光科技预测,当前季度营收远低于预期,市场“在非常短的时间内大幅走软”。当日,台积电、联发科、阿斯麦、意法半导体和英飞凌的芯片类股票纷纷下跌。今年以来,中国智能手机销量下降30%。

  台积电的主要客户削减了2022年剩余时间的芯片订单。日经新闻上月报道称,全球存储芯片领军企业三星电子已暂停新采购订单,要求一些供应商推迟或削减零部件发货。

  美光科技首席商务官苏米特·萨达纳(Sumit Sadana)认为,这种转变程度肯定超出生态系统中任何人的预期。此外,包括美国在内的许多国家,通货膨胀率达到多年来最高水平,增加了经济衰退的风险,导致裁员和紧缩预算。

  疫情期间,在家工作需求激增,芯片制造商疲于应付智能手机和个人电脑制造商的大量订单,由此带来芯片短缺,导致包括汽车制造商在内的公司削减产量,推迟发货,为关键芯片支付高额溢价。

  早些时候,大众汽车集团表示,芯片短缺情况有所缓解,供应链瓶颈和成本上升局面即将结束。就在今年3月,这家集团还警告道,供应瓶颈将损害今年销量增长。由于芯片问题,其去年销量比计划减少了200万辆。

  因疫情引起的市场快速变化,让许多行业深感困惑。预计业务会大幅下滑的汽车租赁公司纷纷出售汽车,结果发现需求比预期强劲,导致租赁费率大幅上升。

  芯片制造商也被疫情及市场变化打了个猝不及防。现在,随着市场转向相反方向,他们又一次被打了个措手不及。

  “这里仅有的操作员就是天花板上的机器人。”克里斯·贝尔菲(Chris Belfi)说。他身裹杜邦特卫强(Tyvek)无纺布防护服,在安全灯的映射下,这件“大白”被染成黄色。机器人在头顶的悬挂轨道上疾驰而过,一闪一晃,呼呼作响。每隔几秒,就会在一台巨大机器上方停顿一下。

  在机器人洗衣篮大小的“肚子”里,一个塑料盒子精准掉落在一堆细线上,就像身穿紧身衣的汤姆·克鲁斯(Tom Cruise)。这个盒子里装载着珍贵的货物:多达25块闪亮的硅片,每块硅片就像12英寸披萨那么大。

  要将这些“披萨”转化为微型计算机的大脑——我们一般称它为微芯片、半导体或芯片,这个过程需要近3个月时间。

  贝尔菲是芯片制造商格芯公司(Global Foundries)的自动化工程师。他打了个比方:“这就像烘烤蛋糕,唯一区别就是,我们的蛋糕大概有66层。”

  格芯公司这座工厂(Fab 8)耗资150亿美元,隐匿于纽约州奥尔巴尼北部的树林中,是美国为数不多的先进半导体(或叫晶圆)工厂之一。

  其进货码头可以接收256种特殊化学品,比如氩气和硫酸。其出货码头将准备切割状态的成品晶圆送出,封装在金属和陶瓷外壳中,可以组装成从安全气囊到搅拌机,从耳机到战斗机的各种产品。

  自2011年启动以来,Fab 8一直都很低调。然而,就像卫生纸和鸡翅一样,一场突发疫情导致一些出人意料的领域出现短缺。疫情冲击了全球半导体供应链,把美国半导体行业拉到舞台中央。

  汽车行业受到的冲击尤为严重。最初的封锁措施导致汽车销售崩溃,汽车制造商削减了半导体等零部件订单。一辆常规新车可能包含1000多个芯片,而芯片制造商也看到了汽车市场的低迷,将产量转移到消费电子产品上,比如网络摄像头和笔记本电脑。

  但到去年秋天,汽车销量猛然回升。汽车制造商不得不为这个戏剧性错误埋单——他们无法获得足够芯片,到现在依然不能。

  芯片短缺导致2021年全球汽车产量减少390万辆,降幅4.6%。比如福特汽车就减少110万辆,收益减少25亿美元。

  事已至此,汽车制造商和芯片制造商开始竞相寻求平衡。白宫也及时出手相助,敦促行业领袖理清供应链,增加产量。但事实证明,问题不仅在于美国没有足够的芯片生产。

  真正的问题是,根本没有人关注芯片是在哪里制造——更严重的是,没有人关注制造芯片需要多长时间。

  2021年6月,美国参议院通过一项两党法案,拨款520亿美元,旨在增加芯片生产和尖端技术研究,与中国争夺全球半导体领导者。但新晶圆厂创建需要数年时间。

  分析人士担心,汽车芯片短缺将波及消费电子产品,影响可能持续到圣诞节。特斯拉首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)在推特上写道:“前所未闻。”

  芯片一直被尊称为现代社会的大脑,如今却成为最让人头疼的问题,其利害关系已经超越疫情时期的短缺。由于芯片是众多战略技术的关键组成部分,比如可再生能源、人工智能、机器人和网络安全等,因此,芯片制造已经成为地缘政治的一根刺。

  在20世纪,石油是至高无上的全球资源。而今年的芯片短缺在政策制定者和外交官中引发了一个21世纪的流行语——芯片就是新的石油。

  随着美国重启后疫情时代,一个稳定的半导体供应已成为整备和恢复力高度优先的基准。除此之外,还有一个更大的问题——半导体原本在美国发明,但如今,像格芯公司这样的晶圆厂在美国已经濒临灭绝。

  1990年,全球37%的芯片在美国工厂生产,但到2020年,这一比例下降到12%。这块不断增长的蛋糕,所有新份额都流向了亚洲——中国、韩国和中国台湾。芯片工厂的意义已经不仅仅是工厂,而且是美国自力更生的关键。

  对半导体了解越多,就会愈发震惊。数十亿个晶体管被塞进一角硬币大小的空间里,而且制造起来异常困难。如果像亨利·福特(Henry Ford,福特汽车创始人,定义了现代汽车工业)那样想象出一条装配线,那么,硅片在工厂中的路径就更像一座迷宫。

  在格芯工厂,从原材料到成品芯片的过程——贝尔菲等工程师们称之为“工艺流程”——通常需要85天,包括1000多个步骤。整个过程中,芯片在晶圆传送盒(FOUP密封舱)中移动,完全不接触人手。机器人负责运送,它们在机器上方悬挂的履带上倾斜行驶。

  一种机器人用类似液体砂纸的浆液来抛光晶圆,另一种机器人用激光刻印只有12纳米宽(大约是指甲在12秒内长出的长度)的电路。电子显微镜会检查硅片的缺陷,一只机械臂将25个晶圆同时浸入化学浴中,就像狂欢节扣篮游戏一样。

  “基本上,机器人全天都在从晶圆厂每个车间来回运送晶圆。”贝尔菲说,每天都要放上东西,卸下东西,打印,再放更多东西,再卸更多东西。只有在某个环节出问题时,人类才会干预。

  “当其中一台光刻机出问题时,所有人都要齐心协力。而当新冠疫情来袭,我们的工厂却从未停止。”贝尔菲说。

  格芯公司首席执行官汤姆·考尔菲尔德(Tom Caulfield)在位于工厂楼上的办公室里回忆道:“我们从来没有关闭过任何一家工厂,一小时都没有停过。”

  事实证明,相对工厂管理,商业冲击更难应对。和许多行业一样,考尔菲尔德最初的金融模式让他做好了最坏准备。

  “我们告诉团队,我们一起面对疫情,我们一起走出疫情。世界需要我们继续制造半导体。这可不是轻描淡写的说法。芯片确实为疫情应对提供了动力——网络摄像头、笔记本电脑、新冠病毒测试机,仅在纽约市,教育部就购买了35万台iPad。”

  当时,新车似乎是唯一没人需要的东西,至少疫情一开始时是这样。2020年4月、5月和6月,汽车销量下降了三分之一。汽车零部件制造商直接取消订单,当然这不是知名汽车制造商,而是它们的供应商,以及这些供应商的供应商。

  但半导体工厂不可能轻易转变。代工是芯片行业对合同制造商的称呼,如市值150亿美元的Kinko光学。单是格芯一家公司,就为250多家客户打印芯片,这些客户又为设备制造商(苹果或三星等知名品牌,以及大陆或博世等工业品牌)提供零部件。

  而且供应链很长。烤一个芯片需要3个月时间,要真正用于汽车引擎或智能音箱,还需要几个月时间。在格芯的任何一天,可能只有10种不同芯片处于生产阶段。每一个独特的新芯片设计有一个6英寸光罩。

  就像一张旧摄影幻灯片,光罩包含一张芯片地图,可以用激光投影到硅片上。光罩是他们的商业机密,属于设计公司的受保护的知识产权,根据格芯专有工艺的独特规格进行调整。因此,更换晶圆厂并不容易,而且肯定不会很快。

  感恩节前后,疫情暴发8个月后,考尔菲尔德的电话响了起来。之前从未听说过格芯公司的汽车高管们意识到,没有格芯公司,他们竟然无法生产汽车。

  考尔菲尔德说:“如果你是一家汽车制造商供应链的老板,因为没有5美元或10美元的芯片而不能交车,你不可能让这种事情再次发生。”

  到了2021年,这种影响更令人担忧。2019年,汽车行业在芯片上花费了430亿美元,但它们只占整个芯片市场的10%。

  全球最大代工企业台积电是向汽车行业提供芯片最多的公司,但汽车行业仅占其收入的3%。相比之下,苹果占比超过20%。在格芯公司,用于汽车的芯片占比不到10%,虽然足够重要,但不足以颠倒乾坤。

  这种情况在2021年发生了变化,芯片制造商面临的政治风险大幅上升。考尔菲尔德呼吁他的工程师们“重新组合产能”,放弃一些订单,优先考虑汽车芯片。

  他说:“我们做出了非常艰难的决定。只要能创造更多产能,就把它交给汽车行业,确保我们不再是制造业的关口。这其中的含义显而易见,我不需要白宫的一封信来做正确的事情。”

  但这足以引起白宫的注意。在此之前,立法者将芯片制造视为当地经济问题。参议院多数党领袖查克·舒默(Chuck Schumer)支持在他的家乡纽约州建造格芯晶圆厂,并游说建造更多晶圆厂。

  2021年2月,拜登签署一项行政命令,启动对关键供应链的审查。如果一场疫情可能导致芯片引发跨行业冲击,那么,还有没有其他可能呢?“我们明确地将地缘政治视为供应链风险之一。”一名高级政府官员说。

  在半导体制造的早期,也就是1960年代,英特尔联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)发现,他和同事每年能将芯片上的晶体管数量增加一倍。

  10年后,这一创新速度略有放缓,至每两年翻一番。之后,这个速度保持下来。芯片变得更快、更便宜、更高效,最终推动社会发展,可以为装在口袋里的电脑供应动力。

  但是摩尔定律,正如人们后来所知,并不是自然的发展,而是花费巨资研发新芯片设计和制造方法的辛苦结果。实际上,每一代新的半导体都需要新的工厂来生产。众所周知,每一个新工艺都以芯片大小来命名,就像珠宝商让指尖变得越来越精致一样。

  到了1970年代,芯片测量单位是微米,也就是百万分之一米。1980年代后,前沿晶圆厂已经用纳米或十亿分之一米来测量产品。如今,行业基准由台积电设定,它运营着5纳米晶圆厂,为苹果公司的最新电脑和平板电脑生产M1芯片。

  工艺尺寸每一步减小以及性能提高,都要求晶圆厂重新装备最新一代光刻机来“打印”芯片,并配备相应设备。最新晶圆厂耗资至少120亿美元。

  如今,半导体行业主要分为两类:设计芯片的无晶圆厂和制造芯片的晶圆厂。彼得森国际经济研究所经济学家查德·鲍恩(Chad Bown)认为:“实际上有两大固定成本:一套固定成本是,芯片创意所需的所有研发费用。另一套固定成本是,所有的资本设备——你需要建造一个这样的晶圆厂。”

  几十年来,像英特尔这样的领先公司两者兼而有之。高级微设备公司(Advanced Micro Devices)前首席执行官杰里·桑德斯(Jerry Sanders)有句名言:真男人就应该拥有晶圆厂。

  在1990年代,一些著名人士坚持认为,这是一个性别歧视的评论,但现在已经过时了。高级微设备公司不仅在2009年没了晶圆厂,其芯片工厂也卖给了格芯公司。

  台积电率先将晶圆厂和无晶圆厂区分开来,成为半导体行业的主导者。其创始人张忠谋出生于中国,在美国接受教育。1960-1970年代,他在德州仪器(Texas Instruments)工作时,其工程创造力和管理才能堪称传奇。他帮助提高了芯片工厂的产量,并压低了价格。

  但在执掌德州仪器半导体部门后,张忠谋得出结论——他永远不可能成为美国的首席执行官。“我觉得基本上被放进了牧场。”他在一本公开出版的口述历史中回忆道,“我进一步发展的希望破灭了。”

  在德州仪器时,张忠谋已经看到了芯片工厂的成本上升,以及这种上升可能阻碍创新方式。他的同事们都渴望通过新的创新来开创自己的事业,但从来没有成功过。

  晶圆厂进入门槛太高。张忠谋抓住纯代工想法——做一家专注于为他人制造芯片的半导体商业公司。在中国台湾支持下,他于1987年创立台积电。

  1987年,这是全球贸易政策的一个有利时刻。里根(Ronald Wilson Reagan)政府制定政策来对抗日本半导体生产增长,但布什(George Walker Bush)政府却采取一种不干涉方式。

  “薯片、电脑芯片,有什么区别?”布什的经济顾问迈克尔·博斯金(Michael Boskin)说过这样一句名言。

  与台积电一样,韩国和中国的企业开始加大芯片制造力度,建造高科技晶圆厂,通常是通过政府补贴的方式。

  1990年代,就连英特尔也开始将部分生产转移到海外。“虽然这一切都在发生,但我们仍坚定地坚持市场经济原则。”半导体行业协会(Semiconductor Industry Association)首席执行官约翰·诺伊弗(John Neuffer)说。当时盛行态度是不干涉企业——不让政府插手。

  2010年,苹果公司发布首款定制设计芯片A4,由亚洲一家代工工厂生产,这在行业已经司空见惯。但这个操作让英特尔尤其不快,在此之前,苹果公司设备中使用的芯片都由英特尔设计和制造。

  行业这种划分已经成为常态,而且一直延续到今天——最复杂的芯片很可能仍然在美国设计,但在海外制造。

  硅谷仍然名副其实——但这要归功于几十家无晶圆厂的芯片设计创业公司,而不是晶圆厂。如果没有亚洲国家提供的政府奖励,这种情况不太可能改变。

  “美国的政策是,我们不会创造赢家,我们要让资本发挥作用。”考尔菲尔德说,“如果世界上每个人都这样做,那将是一种伟大的哲学。”

  美国国会议员正在改变路线月,美国参议院正式通过名为《美国创新与竞争法》(U.S. Innovation and Competition Act)。直接目的是,通过补贴半导体制造与中国竞争。

  一位高级政府官员说:“过去几年,两党越来越多地达成共识,美国需要在国内进行更多投资,以保持竞争优势,特别是在与中国进行某种战略竞争的时代。”

  特朗普(Donald Trump)政府激进的贸易政策,为共和党人支持加大经济干预打开了大门。现在他们要求更多。

  在保守派智库美国指南针(American Compass)执行董事奥伦·卡斯(Oren Cass)看来:“这确实是一个错误。”卡斯将半导体视为美国经济政策必要转变的终极案例研究。

  卡斯说:“它们显然是高科技,是美国长期占据主导地位的领域,显然涉及国家安全,而且可以很好地量化谁领先谁落后。”

  对拜登(Joe Biden)来说,半导体是刺激美国高科技产业的机会。2021年4月,他在白宫举起一块闪闪发光的硅片说:“这是基础。”

  去年3月,英特尔计划斥资200亿美元,扩建其位于亚利桑那州的、专门为他人生产芯片的工厂。与台积电在亚利桑那州建一个新工厂(估计花费100亿~120亿美元甚至更多)不同的是,英特尔无法生产这种尖端芯片。

  更小意味着更快,因为要在更小空间里挤压更多晶体管。英特尔甚至连7纳米节点都难以上线纳米节点(据报道,苹果将再次成为其主要客户)。

  英特尔负责美国政府关系的副总裁艾尔·汤普森(Al Thompson)说,这涉及能力问题。“我们将在美国投入大量资金,创造大量就业机会,让我们走上一条道路。确保尽自己一份力量,来保护国家经济和国家安全。但要迎头赶上,还有很长的路要走。”

  去年4月,硅谷一家名为Cerebras的初创公司发布一款名为CS-2的新电脑。它不是为Zoom电话或Netflix派对准备的,而是为人工智能领域最复杂的研究准备的,比如发现抗癌药物或模拟融合反应。其核心是一个具有非凡新设计的定制芯片。

  Cerebras不是将一个12英寸的硅片切成数百个小芯片,再像打姜饼一样把每个芯片都戳出来。它已经找到一种方法来制造单个的巨大芯片,就像曲奇蛋糕一样。智能手机芯片包含数十亿个微小晶体管,它们被蚀刻在硅上,就像一座微型城市。Cerebras的定制芯片包含数万亿个晶体管。

  为使其发挥作用,Cerebras的工程师们找到一种绕过硅片基本缺陷的方法。通常,它们从一个铸块中切下来,就像熟食腊肠一样。如果这些最复杂晶圆有缺陷,就会破坏整个芯片。Cerebras半导体设计师和制造商通过保持每个芯片都很小,丢弃坏芯片来解决这个缺陷问题。

  Cerebras工程师们创造了一种设计。它使用了85万个相同的块,就像墙纸,以及一个可以关闭任何有缺陷的部分,而不会损坏整个芯片系统。大多数超级计算机将数千个独立芯片连接在一起。但在这些芯片之间传输信息会减慢速度。大脑把所有信息都保存在一个巨大芯片上。

  Cerebras首席执行官安德鲁·费尔德曼(Andrew Feldman)说:“我们找到了一种方法,利用硅以接近光速的速度移动信息,并以极小的能量将信息移动到其他地方。”

  对于制药公司葛兰素史克和阿贡国家实验室这样的客户来说,它提供了在人工智能领域取得突破所需的动力。

  这种大胆想法定义了硅谷早期的创新,以及美国芯片设计师持续不断的创造力。如果说在1960-1970年代,芯片工厂遍布硅谷,那么当Cerebras需要为芯片工厂寻找工厂时,当地却没有其他选择。

  费尔德曼意味深长地说:“如果你想制造最尖端的芯片,只有两个选择:你可以游到中国,也可以向另一个非军事区扔石头。”他暗指台积电和韩国三星。

  2022年2月,美国众议院通过了参议院修改的《2022年美国竞争法案》,数十亿美元的联邦资金将流入半导体行业,这已经是最赚钱的行业之一。

  但要将这笔投资转化为新的芯片工厂、新的芯片设计和新的工程人才渠道,还需要数年时间。该行业的挑战,不仅仅是赶上中国台湾当下的水平,以及中国计划在2025年达到的水平,而是要在未来更进一步。

  独立芯片制造专家艾莉莎·谢雷尔(Alisa Scherer)说:“保持领先所需的资金需要不断增加。时间跨度也如此,跳过一代几乎不可能。光是环境许可就需要数年时间。”

  “这些不是塔可贝尔(美国连锁快餐店),不能把他们打翻。它们不是装在盒子里送到的。就人工智能芯片而言,台积电和三星是唯二选择,这是我们看到的现实。”