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美國想要的晶片,為什麼自己造不了?

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美國想要的晶片,為什麼自己造不了?

美國半導體到底經曆了什麼?

從仙童半導體、德州儀器發明內建電路開始,到現在不過一甲子年歲,就從當年的半導體搖籃,到現在幾乎完全失去半導體制造的能力,而需要台積電來續命?

今天我們來聊聊,半導體制造為什麼回不去美國。

2022 年 12 月 6 日,美國的亞利桑那州。

美國總統拜登,蘋果 CEO tim,英偉達 CEO 黃仁勳,AMD CEO 蘇媽,還有 91 歲的台積電創始人張忠謀等全球知名半導體公司的上司人齊聚一堂。

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今天,他們大家之是以歡聚在這裡,是為了慶祝他們的好夥伴 —— 台積電。

台積電計劃在美國開建的晶圓廠,終于等到了屬于它的第一台機器。

總統拜登更是直接激動的宣布制造業回來了!

等下,既然都說出了:“ 回來了 ” 這個詞。

那就意味着在一定程度上,美國的半導體制造是 “ 失去過的 ”。

這樣說有一定的道理,根據白宮在 2021 年釋出的檔案咱們可以看到。

美國在全球半導體制造中所占份額這幾年也是在不斷下降,從 1990 年的 37% 下降到 21 年的 12%。甚至,如果不及時采取措施,這個資料有可能會在未來幾年裡繼續走低。

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是以,美國半導體到底經曆了什麼?

從仙童半導體、德州儀器發明內建電路開始,到現在不過一甲子年歲,就從當年的半導體搖籃,到現在幾乎完全失去半導體制造的能力?而需要台積電來續命。

大家好,今天我們來聊聊,半導體制造,為什麼回不去美國?

美國制造,是如何流失的?

和咱們如今印象裡充滿黃色燈光和自動化器械的半導體工廠不同,剛剛誕生的半導體,在制作過程上,還是挺 “ 手工 ” 的,屬于是某種意義上的勞動密集型企業。

那時候還沒有 “ 內建電路 ” 這個概念,想做一個電路,需要分别做出電阻、電容、電感以及二極管、三極管這些基礎元器件。

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然後再用導線把這些最基礎的元件給連起來,才能做成最最最基礎的邏輯電路。

那這樣做的電路,自然是費時又廢工,同時由于連接配接複雜的原因,一旦動起來,穩定性的表現就算不上太好。

後來直到 1958 年左右,德州儀器的傑克 · 基爾比在研究的時候突然一拍腦袋發現,這幾個原件是可以一起生産的啊?

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那有沒有一種可能,咱們能在生産的時候把這些元器件都給做在一起,那穩定性不就好多了嗎。

說幹就幹,在一陣科研過後,他們找到了自己的辦法。

先在鍺晶片上制造出三極管,然後再在純鍺晶體中少量摻雜做成電阻,再用反向二極管做出電容。

這樣,他們就做出了人類曆史上第一個內建電路:一個相位震蕩器。

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不過,這個內建電路還沒有解決一個關鍵的問題 —— 那就是還需要人力來将導線連接配接到這些元器件上。

後來,仙童半導體的羅伯特 · 諾伊斯在這個基礎上做出了改進,決定用蒸發沉積金屬的方法代替熱焊接導線。

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這次,把連線的步驟也給一并解決了。

但是這樣也帶來了一些新問題,那就是成本有些失控了。

仙童的工藝雖然更加優雅,但是需要用到當時更貴的矽工藝,再加上當時新技術的産量需求較小,是以價格屬于非常難以把控。

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在上個世紀六十年代,一塊內建電路甚至可以賣到 450 美金,按照通貨膨脹來換算的話,相當于現在的兩台 iPhone 15 Pro max,1T 國行非海南版本的。

那,有什麼辦法可以節省內建電路制造的成本呢?

從仙童開始,半導體制造就開始了轉移。

1959 年,曾經在通用電氣任職的查爾斯 · 斯波克加入了仙童半導體,他的工作内容,是給公司找個新地方建廠,他們剛剛拿下了一個半導體大單子,需要大幅度的提升産量。

斯波克本來想找個地方 —— 找一個工會勢力沒有那麼發達的地方去建廠的。

因為他的上一份工作就是被紐約的工會給攪黃的。

首先被他考慮的一個地方就是美國東北角的波特蘭市,那兒工會沒有這麼發達,人力成本也是相對便宜。

但他的同僚諾伊斯則是勸他打開思路,他知道有個好地方,不但人力資源便宜,工會勢力薄弱。

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而且接受一定的西方教育,講英語的話溝通起來問題不大。而且還是個自由港,可以避免不少進口,稅率方面的問題。

這個地方就是中國香港,當時的一個高度工業化的制造中心。

對當時的他們來說,做半導體和衣服其實沒啥差別。

根據斯波克的回憶,當年勞工的時薪約為 25 美分,是美國勞工的十分之一。

非但如此,“ 當地勞工比美國勞工麻利兩倍,還願意接受更艱苦的工作 ”。

除了對工資有些敏感。

如果隔壁廠的工資漲了 5%,他們可能就會光速辭職,去街對面的服裝廠幹活。

在這樣的環境中,仙童的香港工廠于 1963 年正式投産,美國半導體制造,正式走出出海的第一步。

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不過,當時轉移到香港的半導體制造,其實還算不上完全。

仙童将香港的一家拖鞋工廠給改造成了半導體工廠,在那兒僅僅負責把美國生産的晶圓進行封裝和測試。順帶解決了一部分的銷售任務,生産出來的晶片可以直接在香港賣到東亞各地。

最後,在美國工程師 + 數千名香港勞工三班倒的努力下,光是 1963 年一年,仙童就在這個舊拖鞋廠的廠房内産出了 1.2 億枚半導體晶片。

這一業績不但令公司十分滿意,還給同行看着眼饞了。在美國哪裡能找到這麼便宜的人工,這麼高效的産能哦。

是以大家是紛紛效仿,後來包括德州儀器、摩托羅拉在内的其他美國公司也都開始在香港設廠。

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而在品嘗到了産業轉移的美味之後,後續的展開更是一發不可收拾。更是把目光投向了人力成本更便宜的新加坡和馬來西亞。

畢竟、香港的時薪工資雖然隻有美國的十分之一,但是在當時的東亞裡,卻已經是最高的幾個了。

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至此,将半導體生産搬離美國,已經是一個很明顯的趨勢了。

傳統的半導體制造可以分為三個大環節:晶片設計,晶圓制造,以及封裝測試。

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當時的美國可以說是将封裝測試這一技術含量最低、需要耗費人力成本最高的環節給轉移到了海外。但很快,晶圓制造這個環節也被盯上了。畢竟,半導體産業,用煉金術來形容,也毫不為過。

這是河沙,本質是二氧化矽,平時撒在路上可能都沒人會去撿,如果你要去建材市場特意買的話,170 元左右能拿下一噸,可能還沒有搬運費貴。

這是沙子中比較好的那種高純石英砂,身價則是翻了數倍不止,大概需要 5w 美元左右一噸。

而這是一枚 intel 最新釋出的 14900k 桌面處理器,售價 4999 元,重量 35.7g。換算下來,相當于 1 億 4 千萬左右一噸。

而制作他的原料,就是高精度的石英砂。

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也就是說,隻要有辦法設計出晶片,并且将它做出來,那就能賺大錢。

海岸線上的日本就盯上了晶片這塊肥差。

畢竟半導體加工這活在當時不需要消耗太多的能源,也不會占用太多的地方,對能源相對緊缺、土地資源不太夠分的日本來說簡直是直對 XP。

恰好戰後的美國也有利用扶持日本、來對抗蘇聯的想法。

得益于此,日本以低廉的價格吸收了美國的大量技術。

許多現在咱們熟悉的日本企業也都在那時候趁機崛起。

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無論是半導體、計算機、還是內建電路的這些技術,在美國人研究出來後、很快就被日本拿來研究透了,然後推出性能稍弱,但是價格更便宜的仿制産品。

這些原因導緻了日本的生産技術方面一直沒拉下太多。

沒過幾年,日本就找到了啃下美國更多肉的辦法。

1966 年,日本和往常一樣,準備仿照美國的 IBM,舉國之力去制造一台高性能電腦:HITAC 8000。

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當時的大型計算機可不是一個簡單活,IBM 為了做出這台 system-360,招募了 6w 餘名新員工、獲得了超過 300 項專利、攻克了作業系統、資料庫、內建電路等方面的一系列難關。

項目總共花費大約 52 億美元,在那個年代,相當于 7 艘核動力航母的造價。

而日本這個仿制項目的預算卻隻有百分之一不到,( 0.34 億美元 )還是個五年的分期計劃。

最後自然是毫無意外的失敗了。

但是研發 HITAC 8000 的過程中,由于這台機器對當時的記憶體有較高的要求,日本積攢了大量的全新記憶體開發經驗。

最終在 1968 年研究出了 144 位的 N 溝道的 MOS 存儲器。

這些寶貴的經驗積累,幫助日本在随後到來的 DRAM 時代立積累了大量的經驗。

當 Intel 最終推出成熟的 DRAM 産品 C1103 之後,日本跟着用最快的速度喝到了一碗湯, NEC 也在次年推出了類似的晶片

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可能很多人對日本半導體的崛起會帶有一定的疑惑。

一個現在随處可見的 DRAM,為啥能把美國一衆大廠給打趴下?

但在當時、存儲資料可是一個大難題,老的電腦甚至還在用磁芯存儲器,讀寫速度、實體存儲和可靠性都不大不如 DRAM。

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舉個例子,就像今天如果某家公司釋出了能量密度比現在高一倍的電池,其他參數也全是優點,在電池儲能上獲得了革命性的突破。

明年可能所有友商都想用上這個電池。

可想而知這個市場有多大,英特爾美美吃肉,日本淺淺的喝湯。

在這樣一個研發的過程中,半導體行業的生産過程,也從過去的勞動力密集型産業,轉型向了資産密集型産業。

曾經需要女工拿着顯微鏡才能完成的焊線工序,現在隻需要用自動焊線機就能完成,一個工廠、100 台機器,甚至隻需要 10 個人來操作。

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而後續更是安排上了超靜工廠中的房間和無塵室,直接将産品的良率大幅度提升。

再往後的故事,就是我們熟悉的那個了。

多年的技術累計,讓日本 DRAM 無論是良率還是價格,都遠遠優于美國的産品。

各家企業也是在配合中大顯神通,這一連串技術整合下來。一舉占據了 DRAM 市場 90% 的份額,那些美洲大陸的科技企業更是被打的丢盔棄甲。

甚至就連發明了 DRAM 的英特爾都被打的退出 DRAM 市場,要不是中途 IBM 拉了一把,可能就得淪落到破産或者是被收購的地步了。

直到這時候,美國政府才後知後覺的反應過來,開始對日本半導體重拳出擊。

從通過立法認定日本半導體行業傾銷,到推動設立全球化分工的半導體行業來瓜分日本市場。

這段内容咱們之前也做視訊聊過,就不再贅述了。

美國這頓操作下來,日本的半導體行業不能說一落千丈吧,但至少發力的勢頭算是給按住了。

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但随之也帶來了新的問題。

日本這邊被錘了,晶片也不能沒人造吧。

自己造是不太可能的了,又貴又麻煩,但是也不能全權讓别人來代工,免得自己被人卡脖子。

在這個關鍵時刻,台積電站了出來,直接開始大聲嚷嚷:

“ 沒事,我能造,而且我隻負責代工,你們隻要管自己的設計就成 ”

如果說美國當年高額的人力成本、嚴苛的工會是給半導體制造産業的外遷挖了一個坑的話。

那如今台積電主導這種模式,可以說是給美國的本土新工藝的制造蓋上了一杯土。

隻負責晶圓代工、不負責晶片設計,這種方式可以說是完美符合美國企業的胃口。

他有兩個明顯的優點,一方面是降低了晶片設計廠商之間的内耗。

過去大家為了保密自家做出來的晶片方案,都得藏着掖着不給别人設計,隻能自建産線生産。

但現在不一樣了,台積電是一個 " 與世無争 " 的晶圓代工廠,不涉及晶片設計,大家都可以把最新的晶片設計交給我代工,不用擔心洩密。

而且台積電本身還變成了一個實踐家,每家的晶片都做一下,就可以做完後總結一下這次哪裡的工藝沒做好,需要提升哪些方面,然後用在下一輪的優化設計裡。

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另一方面則是降低了晶片設計的準入門檻。

後續入場的新玩家,不用花重金用于研究晶片制造,隻要能設計就行,制造方面的問題都可以交給台積電。

這個模式可以說是運作的非常完美,也持續運作了幾十年,不過現在看來,唯一的問題可能就是台積電發展的實在是太好了。

這部分 “ 外包 ” 的代工産業鍊,已經被他們内卷出了無形高的技術壁壘,讓新入局的人難以找到門道。

早年美國為了追求低廉的人工成本來将産業外移、而現在這部分産業在海外進行可開花結果,自己已經過上了完善的生活。

如果沒有地緣政治問題的話還好,但是這次美國在制裁天,制裁地之後突然回過神來,現在能依靠的先進制程廠,隻有台積電一個了。

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現在突然想要人為手動的轉移台積電的産量,付出的成本就不一樣了。

那麼問題來了,就算台積電真的搬遷回去了,能幫美國解決好先進制造的部分嗎?

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想搞清楚這個問題,我們得先看看台積電把那些工廠給搬過去了?

根據台積電董事長劉德音的說法可以看到,亞利桑那州廠第一期預計 2024 年開始量産 4nm 晶片,而二期廠房也會同步開始建設,預計将在 2026 年開始生産 3nm 晶片。

全是晶圓廠,并沒有計劃建設封裝廠的部分。

啊對,當年封裝是低端産線,但是現在早已 “ 龍王歸來 ”。沒錯, “ 先進封裝 ” 也是封裝。

簡單來說,先進制程可以決定一枚晶片的性能可以發揮的有多好,而先進封裝要做的事情就是幫助多枚晶片盡可能的放在一起,讓他們能聯手起來發揮的更好,達到 1 + 1 大于 2 的效果。

比如蘋果當年令人驚豔的 M1 ultra,就是借助先進封裝的工藝來将兩枚晶片連在一起,實作了 2.5 TB/s 的資料通信量,完美發揮了膠水晶片的性能。

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英偉達的算力皇冠 H100,也是依靠先進封裝實作的 HBM 記憶體,以此獲得了在顯示卡上更好的性能和更低的功耗。

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但是這些牛逼哄哄的技術,在美國都用不了,就算亞利桑那州的晶圓廠開工一路順風,造出來的晶片也必須送回中國台灣才能進行進一步的封裝。

這個成本已經沒有多少優勢了,不過、先别說這個八字還沒一撇的封測廠了,就連在建設的晶圓廠,其實也是一波三折。

在 Q2 的電話會議上、台積電的董事長劉德音就表示,這美國的勞工,熟練度不夠啊。

“由于美國當地熟練勞工短缺,公司可能不得不從台灣地區臨時調入有經驗的技術人員,這将使第一家工廠開始量産的時間推遲到 2025 年。”

現場的美國人也開始開始甩鍋,給出了相反的說法:“ 指責台積電在建廠的過程中管理混亂,也沒有做好很多安全措施,導緻他們沒法順利開工。”

好家夥,世界上沒有人會記住一家按時開工的晶圓廠是吧。

就算是給美國加一層 buff,讓晶圓廠順利落地,我相信後續的運作,一定還會出不少亂子。

因為半導體生産的核心,其實最關鍵的還是在人身上。

從 1960 年發明內建電路開始,到 2023 年的半導體廠自動化制造。

雖然從最早的人工焊接導線,人工澆灌樹脂,到現在的自動化流程生産,看起來是能節約不少人力成本。

但是節省成本不代表不用人,終歸還是人圍着裝置轉,而不是裝置圍着人轉。

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經常提桶跑路經驗的差友應該會發現,越是隻需要少部分簡單操作就能跑起來的産線機器,就越會出現三班倒的現象。

這種現象在半導體廠房裡尤為明顯。

如果你是一個 PE( 工藝工程師 )的話,為了保證産線不能出問題,雖然你不一定要親自上産線操作,但是當輪到你值班的時候還是得保證自己能随叫随到,一個電話就得去産線上排查問題。

如果是一個 OP( 操作員 )的話,更是每天需要穿無塵服,十二個小時可能隻能去兩三次廁所,看着頭頂穿梭的天車,聽着身邊無數機台的轟鳴,聞着光刻膠刺鼻的氣味,過着與世隔絕的工作生活。

隻要半導體生産的過程中還需要人力介入,那就需要招聘能接受這樣工作環境的人。

這些技術員雖然說起來很普通,但是也絕對不是上汽車産線擰個螺絲那麼簡單。

一個非常好笑的沖突是台積電在美建廠對于當地最大的吸引力是成創造幾萬工作崗位可是問題是全美都夠嗆找到能 match 這些工作崗位的人。

SIA(美國半導體行業協會 )的一項研究表示,預計到 2030 年,美國半導體行業能提供的工作崗位将從現在的 34.5 萬增加到 46 萬,但是按照目前的人才培養方案來看的話。

到時候這些新增崗位中,可能有 6.7 萬個崗位招不到人。

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而且在報告中還指出,目前學些 STEM( 科學、技術、工程、數學 )的學生本來就少也就算了,就算是目前學了這些專業的學生,在就業的時候也不會優先考慮去涉足半導體行業。

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講到這裡,關于美國半導體制造能否重鑄榮光,我相信大家心裡已經有了答案。

或許美國政府希望可以用《 晶片法案 》來給半導體制造打上一針雞血。

但是正如 2011 年,奧巴馬像喬布斯提出的那個問題一樣。

: “ 為什麼我們不能讓蘋果的 iPhone 、 iPad 在美國制造,為什麼不能把這些工作機會帶回家? ”

: “ 這些工作不會回來了 ”

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