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美国半导体简史:痴迷「降本」如何让美失去前沿优势?

机器之能

作者|Alex Williams 、 Hassan Khan   编译|微胖

来源|机器之能(ID:almosthuman2017)

近期,美国产经智库《Employ America》梳理了过去50 年来的半导体发展史,探讨美国失去竞争优势的原因,以史为鉴,重新夺回技术前沿。

文章指出,「产业政策」美国半导体产业发展中扮演着非常关键的角色。然而,随着行业的成熟和竞争环境的变化,政策框架也发生了变化。自20世纪70年代以来,产业政策逐渐被轻资本的「科学政策」战略所取代,而大型企业和轻资产创新企业取代了由小型和大型生产企业组成的强大生态系统。

尽管这一战略最初取得了成功,但它创建了一个脆弱的体系。比如,「科学政策」显然扮演着一个角色,但它的视野过于狭隘,侧重新思想的发展,而不是将技术转往资本。制程技术的创新是一种「实践」的过程,需要不断建立与营运新的生产线。但在美国的低资本环境中,半导体产业很难做到边做边学。

技术创新发生在供应链的每一个环节,并受益于多样化的参与者和充满活力的劳动力市场。劳动力不仅是技术前沿的成本中心,而且是创新过程的关键投入。

半导体在现代工业经济中扮演着至关重要的角色,它们的技术路线太重要了,不能以短期盈利能力为指导。政府有机会也有责任利用产业政策,在下一次短缺发生之前阻止它,同时确保美国保持其在技术前沿的地位。

最近,富士康(Foxconn)子公司和主要芯片设备制造商(Foxsemicon)正在考虑在美国建厂,这是该公司在美国的第一家工厂。与此同时,越来越多的公司响应美国政府的号召,将关键的科技零部件制造业搬回美国。

「我们正在积极评估在美的第一家工厂,但尚未最终敲定,」公司首席执行官兼总裁Kevin Chiu对日经亚洲(Nikkei Asia)表示。

「如果这个计划成为现实,它将从一个小规模的生产基地开始,在那里开发最高端、最先进的芯片工具和零部件。」

不过在美国投资建厂,现实挑战也十分明显。建厂的成本至少是在台湾建厂的2.5至3倍、 「我们能否在那里找到足够多合格的工人,可能仍然是个大问题。此外,我们必须与客户讨论他们是否愿意支付更高的价格。」

有消息称,英特尔将斥资约200亿美元在亚利桑那州新建两家芯片工厂,也势必面临同样的基础设施问题(比如合格的工人)。

劳动力冗余有助于确保公司能够迅速内部化过程改进,同时也培训了下一代的工程师和技术人员。然而,这些关键因素却在历史进程中被视为「冗余」而遭剔除,造成美国公司高度依赖外部制造工厂的局面。虽然极力邀请台资企业赴美,也只是试图通过购买解决问题,并未降低对单一供应商的依赖。

面对尖端半导体的短缺和创新能力的下降,美国政策制定者正在考虑认真干预。解决目前的短缺可能为时已晚,但防止下一次短缺的时机就是现在,以史为鉴,犹未为晚。

 一 

美国半导体的两种产业政策

行业早期,美国政府通过混合使用供应激励、需求支持和监管协调来指导,创建出一个强大、以创新为中心的竞争生态系统。其中,产业政策对半导体早期发展起了关键作用,因为她为各种参与者划分了各自角色:

小公司在技术前沿进行试验,而大公司则追求流程改进,以确保这些创新的规模扩大。政府的需求确保了试验在财政上是可行的,而技术转让条例确保了大公司和小公司之间分享取得的进展。

重要的是,定期购买为企业提供了必要的流动性,使它们可以在不依赖大规模一次性产品的情况下继续迭代。这种工业政策方针鼓励创新,确保小公司能够获得国内大规模生产创新设计的机会,同时允许大公司获得大规模生产这些创新设计的好处。

随着行业的成熟和竞争环境的变化,政策框架也发生了变化。自20世纪70年代以来,产业政策逐渐被轻资本的「科学政策」战略所取代,而大型企业和轻资产创新企业取代了由小型和大型生产企业组成的强大生态系统。尽管这一战略最初取得了成功,但它创建了一个脆弱的体系。

如今,这个行业一方面受到了脆弱的供应链的限制,这些供应链仅满足少数拥有巨大投资护城河公司的需求,另一方面则受到了许多轻资产设计公司的限制,这些公司无法产生或获取流程改进。尽管美国半导体行业在上世纪90年代重新占据主导地位,但如今——由于这种政策方针的影响——美国半导体行业的技术和商业优势比以往更加脆弱。随着台积电对英特尔的崛起,美国已经失去了技术前沿,美国公司面临严重的供应瓶颈。

疫情暴露的供应链瓶颈表明,半导体生产是一个关键的经济和国家安全问题——鉴于其作为一种通用技术的地位,在几乎所有主要供应链中都可以发挥作用。虽然「科学政策」显然扮演着一个角色,但它的视野过于狭隘,侧重新思想的发展,而不是将技术转往资本。制程技术的创新是一种「实践」的过程,需要不断建立与营运新的生产线。但在美国的低资本环境中,半导体产业很难做到边做边学。

技术创新发生在供应链的每一个环节,并受益于多样化的参与者和充满活力的劳动力市场。劳动力不仅是技术前沿的成本中心,而且是创新过程的关键投入。

 二 

1940 到1960 年代:半导体产业由国防主导

在半导体行业成立之初,美国政府利用产业政策和科学政策帮助培育了半导体公司的多元化生态,以确保任何科学可行的方法在经济上也可行。财政支出为这个高度投机的行业提供了必要的流动性。该战略需要持续的干预,以保持创新和充满活力的竞争生态系统。

国防部利用采购协议和准监管措施,确保企业的生态系统和技术进步的广泛分散。政府合同为早期的公司创造了一个现成的市场,而国防部渴望扮演第一个客户的角色。有了大规模生产半导体的需求的保证,产能投资对许多小型、早期的公司来说在财务上是可行的。

作为许多公司的核心客户,国防部对该行业的最新技术发展有明确的看法,并利用这一观点直接促进公司和研究人员之间的对话和知识共享。与此同时,「第二来源」(second source)合同要求国防部购买的任何芯片必须由至少两家公司生产,并将采购与技术转让联系起来。国防部甚至要求贝尔实验室和其他大型研发部门公布技术细节,并广泛授权他们的技术,以确保创新的基石能够提供给国防部可能与之签订合同的所有公司。

这一体系加速了创新的步伐,并迅速蔓延到整个行业。政府采购协议确保了投资者愿意消费,而增加对重复资本货物的支出有助于创造重大的流程改进。与此同时,工人们在整个系统中自由流动,应用在一家公司获得的知识来改善其他公司的生产过程。

这种竞争环境——加上那个时代的反垄断方法——鼓励了大公司的大型研究实验室的发展,以及小公司的疯狂实验。成功的实验有助于创建新的大公司,或者被已经存在的大公司扩大规模。来自国防部的工业指导帮助推动技术向新的方向发展,同时保持工业能力的一致性和针对性。至关重要的是,这一战略隐含着对整个行业新技术的开发的特权,而不是使任何单个公司的收入最大化或成本最小化。如果企业需要投资并持有资本货物,融资是可行的。政府保护了这个行业不受所谓的「市场规律」的影响,这样一来,重点就可以继续放在创新和生产上,而不是被狭隘地理解为经济成功。

然而,到20世纪60年代末,该行业发展得如此之快,以至于政府采购——因此政府通过第二源合同等手段实施准监管的能力——已变得相对不重要。虽然半导体工业的存在是基于20世纪40年代后期的军事采购,但到60年代后期,军事采购只占不到四分之一的市场。

 三 

70年代:商用市场发展,半导体进入黄金时代

20世纪70年代,在商业应用蓬勃发展和缺乏严肃的国际竞争之间,是美国国内半导体企业的黄金时代,尽管政府采购和指导相对不那么重要。

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ICE半导体数据(1955-1973美国公司的半导体销售额),红色曲线为政府采购的占比显著下降趋势。制图Alex Williams 、 Hassan Khan

虽然工业政策促进了早期的创新和产能建设,但它在上世纪70年代的相对缺失几乎没有引起注意。可以肯定的是,政府采购在20世纪70年代仍然发挥了一些作用,但私营企业开始认真地将电子产品整合到它们的供应链中,成为了更重要的采购商。大规模生产计算机最初也与半导体的发展有着某种共生关系,其对芯片的需求推动了封装、集成技术的进步。

事实上,国防部的优先事项开始与商业客户的优先事项有意义上的分歧。国防部为特定的军事问题寻求利基解决方案,特别是开发非硅基或抗辐射硬化半导体,这些都没有多大的商业应用。政府和半导体公司都认识到这个行业不再需要直接的指导,双方的需求开始出现分歧。

在20世纪70年代,蓬勃发展的非国防市场意味着在没有政府支持和协调的情况下,成功的小公司和大公司共存。技术改进转化为工艺改进,进而推动进一步的技术改进。诸如MOS ICs、微处理器、DRAM等新发明将产业推向新的高度,并递归地提出进一步的创新路径。

在一个普遍繁荣和创新的环境中,半导体作为通用技术脱颖而出,在整个经济中得到了广泛的应用。尽管大型研究实验室和国内制造代表着大量资产,但缺乏国际竞争和蓬勃发展的市场,确保了大多数投资最终都能取得成功,无论是在创新方面还是在利润方面。

 四 

80年代:日本的崛起

然而,这种竞争环境所灌输的乐观和慷慨在上世纪80年代被中断。当时,在日本国际贸易产业省的产业政策指导下,美国将市场和技术主导地位输给了日本企业。

日本采取了与美国相同的政策,以迅速扩大产能并主导全球市场,比如集中指导、采购协议、廉价融资。然而,日本奉行的战略略有不同,它专注于为出口而打磨产品、更好地理解技术,而不仅仅是军事利益。一旦DRAM成为标准,成为半导体行业中最大的单一市场之一,日本很快就占据主导地位。

当美国政府不得不为半导体创造最初市场时,日本能够围绕一个快速增长且已经存在的市场来构建其产业政策。正因如此,日本能够实施比美国更严厉的政策——建设基础设施,协调计算和半导体等领域的合资企业——因为,日本知道自己的产品有现成的商业市场。虽然政府支持和协调投资的战略与美国在50年代和60年代使用的战略相同,但是,用于实施该战略的战术是为适应80年代的竞争环境而量身定制的。

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ICE半导体数据,随着日本产品激增(绿线),美国全球半导体份额呈显著下降。制图Alex Williams 、 Hassan Khan

来自日本的竞争对美国公司产生了巨大影响。许多人在随后的洗牌中永久性地退出了DRAM市场。作为回应,该行业还成立了倡导团体,协调生产,游说关税和贸易政策干预。

半导体工业协会游说政府对日本「倾销」采取保护措施,而半导体研究公司(SRC)的成立是为了组织和资助与商业市场相关的半导体学术研究;SEMATECH是由行业成员和国防部共同资助的,最初的目的是按照早期的行业政策,促进企业之间的横向合作。然而,它很快转向关注供应商和制造商之间的垂直整合,以最小化成本。

落后的半导体已经成为商品,可互换,并根据单位成本进行判断。由于技术和经济因素的共同作用,传统的垂直整合公司在20世纪80年代开始解体。鉴于当时美国的经济形势,在竞争激烈得多的全球市场上,人们几乎没有兴趣投资于低附加值活动的产能。

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Alex Williams 、 Hassan Khan根据ICE半导体数据计算。

垂直一体化企业(IDM,Integrated Device Manufacturer)也开始解体。由于MOS 电晶体开始主导市场,专门制造「晶圆厂」变得经济,因为各公司开始采用类似的设计原则,代工(foundry)模式随之发展,而专注于设计的无晶圆厂(fabless)也因此诞生。大型代工巨头与专注于设计的「无晶圆厂」(fabless)小公司共存,后者只生产设计,不生产芯片。

理论上,这为这些「无晶圆厂」公司保留了灵活性,以追求创新的设计策略,同时最小化间接成本。上世纪90年代,美国企业率先推出了新产品类别,而日本企业则面临着来自韩国进入者的竞争,因此,美国工业界采纳了这一战略,导致了市场份额的复苏。

在政策方面,美国再也没有回到国内产业政策上来。相反,外国工业政策成功得益于国内整合、垄断、贸易保护主义和为科学研究提供资金。

 五 

90年代:「科学政策」进入高潮,美国重夺优势

由于该行业面临80年代的技术和竞争变化,90年代见证了美国「科学政策」高潮。上世纪90年代,政府没有回归产业政策——无论是美国过去使用的那种,还是更受日本通产省影响的那种——而是将「科学政策」的引入视为半导体制造业政府行动的新范式。

「科学政策」的重点是,培养政府与各企业的合作关系、产业研发与学术研发的密切结合、研究分工,以及允许新创企业透过轻资产运行的产业结构。

「科学政策」的目标在于,从建立一个强大生态系与供应链,转变为建立公私机构来协调研究人员、Fabless设计公司、设备供应商与大型公司间的复杂关系,让企业不需投入高昂的研发费用,也让政府避免大量的投资支出。

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图表来自于1994年由半导体工业协会生产的国家半导体技术路线图,展示了科学政策背后的策略。

「科学政策」的中心主题是非冗余的效率,这与早期的产业政策侧重于冗余和重复,形成对比。早期产业政策大大加快创新步伐,并确保了整个供应链对于单个公司的失败将是稳健的,但这确实意味着大量的重复投资。尽管这种方法有助于推动流程改进的采用,静态股东价值最大化表明,这种重复在经济上太浪费了。

前几十年的产业政策促进了大规模就业,这是创新的核心动力,而上世纪90年代的「科学政策」为了尽可能降低效率而避免了这种做法。

工人经常更换公司、「边做边学」是创新的核心途径。事实上,经济地理学中的「非贸易的相互依赖」文献在一定程度上解释了半导体行业工人大群体的融合对该行业快节奏创新的重要性。虽然在一个地方保持大量的工人是许多进步的关键,但在这个新的竞争环境中,它被视为浪费。劳动力是单位成本的重要组成部分,企业相信,如果它们能够战略性地缩小规模,全球竞争力就会恢复。

事实上,当时很多美国大型制造企业认为,将内部研究、收购新创、向专利持有者申请使用权结合起来,是最有性价比的途径,不仅降低了风险,还将前期开发成本转嫁到别人头上了。

「垂直一体化是一个陷阱,我们从20世纪90年代末期开始去资产化,对我们所从事的生产活动进行分类:真正有价值的活动;开展大规模生产才会有价值的活动;如果不开展大规模生产,就将之转移到供应商那里去的活动;应该将普通产品转移到供应商那里去去生产的活动。我们现在毫不怀疑这些决定的正确性。由于这样做,我们现在可以在研发方面加大投资,因为在固定资产方面的投资减少了。」一位世界500强企业的总裁在《重塑制造业》一书中告诉采访者。

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BLS,美国人口普查局,Alex Williams 、 Hassan Khan计算发现,半导体附加值的增速远高于雇用步伐(绿线)

在半导体发展的早期,相对对价格不敏感的政府合同占总销售额的很大一部分,这种低效率被视为创新的成本。随着外国竞争对手的到来,注重成本的商业市场成为半导体的主要买家,这种能力的重复似乎是一个纯粹的成本中心,对许多公司没有什么好处。

对盈利能力的关注意味着确保尽可能少的工作重复,以便在对价格高度敏感的竞争环境下控制成本。这就产生了一个集体行动的问题,削减开支符合每个公司的利益,但这样做进一步恶化了美国公司的创新能力。

在20世纪90年代,美国政府没有回归到工业政策,而是选择了成本更低的科学政策。

理想情况下,「科学政策」将允许政府协调企业相互矛盾的节约愿望,而不会在技术上进一步落后。然而,与时代精神相一致的是,美国政府也在努力节约,不会为产业政策在新的竞争环境中取得成功提供大规模的财政支持。

相反,政府将花费更少的钱,并尝试开创一种劳动分工,允许所有参与者在不牺牲技术前沿的前提下削减成本,以追求利润。为此,它一方面资助学术研究实验室的研发,另一方面资助产业集团将研究转化为商业能力。在某种程度上,这进一步降低了单个公司的研发投资,因为进步只创造了最小的竞争优势。这种结构没有建立具有重叠供应链的生态系统,而是形成了一种分工,每家企业与机构都负责一个明显可分割的单独部分。同时,宽松的贸易政策与密切的贸易网络,让企业能更经济地进入无工厂模式,发展轻资产战略。

这个战略「短期上」成功了,到了1990 年代末期,美国重新获得半导体技术优势。多数企业将研发工作集中于生产工艺的下一两个节点,而较远的研究则由政府资助的学术单位负责,接着再由产业界将学术研究转为商用,消除研发与生产的重复成本。然而,这会削弱企业的创新能力,大型研究实验室也逐渐空洞化,只针对少数核心企业的需求研究,供应链也更加狭隘。

 六 

千禧年:「科学政策」脆弱浮现

然而,这一战略的短期成功是以巨大的长期成本为代价的。劳动力和资本的冗余有助于确保公司能够迅速内部化过程改进,同时也培训了下一代的工程师和技术人员。虽然从单一时期内股东回报静态最大化的角度来看,这种重复可能是「冗余」的,但它对确保长期创新轨迹至关重要。「消除冗余」和「增加脆弱性」是一枚硬币的两面。

长期来看,劳动力和资本投资不足会在某些方面显现出来,比如资产负债表、创新能力,或者两者兼而有之。就目前情况而言,美国正面临失去其在前沿设计优势的危险,而且在前沿制造方面的大部分优势已经被台积电夺走。把投资过程的一部分分配给每家公司可能会让每家公司的资产负债表看起来更加稳健,但由于持续的投资不足,整个行业已经变得更加脆弱。几十年的最低劳动力成本已经使熟练技术人员和工程师的数量减少,而几十年的产能投资不足已经阻碍了国内公司应对目前短缺的能力。

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中国(包括台湾)主要半导体产量(全球占比)情况,基于Alex Williams 、 Hassan Khan的计算。

该行业目前的问题是科学政策战略的自然长期结果,该战略在20世纪90年代末和21世纪初非常成功。整合和垂直整合的动力集中在学术实验室的长期研究,大型企业和轻资产的「无晶圆厂」创新者创造了一个摇摇晃晃的竞争生态系统。

由于这些大型企业在竞争格局中占如此大的比例,它们的研发优先级和中间投入需求为整个行业设定了条件。

像英特尔这样的主要买家可以隐式或显式地使用他们的相对垄断权来围绕他们的需求构建供应链。当更广泛的经济需求发生转变时——正如自疫情爆发以来所发生的那样——这些脆弱的供应链很容易越位。这种脆弱性显然是供应链为短期盈利和消除冗余而优化的结果,而不是为整个经济的需要而调整的结果。

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Fabless商业模式的增长情况,基于Alex Williams 、 Hassan Khan的计算。

无论是有意还是无意,这些大型也会围绕自身的财务需求和计划来制定技术发展道路。因此,学术实验室的研发与税收优化和私营企业单位成本最小化相结合的政策组合,创造了重大的技术路径依赖。与此同时,从技术意义上讲,这些企业「太大而不能倒」:如果它们错过了流程改进,同样规模的国内竞争对手的缺席意味着整个行业都错过了这一进步。在这个意义上,技术政策作为一个整体被委托给了私营行为者。

 七 

当下: 高度依赖的海外代工

从研发到生产的过程,也出现不一致的回馈。科学政策的关键,是将知识产权的创新与生产过程的创新分开;也就是说,科学政策优先考虑研究、设计与创意,而不是实施、生产与投资。因此,专注于设计的无工厂公司兴起,并将制造外包给海外的代工厂。

但这种做法反而会降低创新速度,因为「边做边学」是技术创新的关键。工程师会在生产过程中的每一步,以及供应链的每个环节寻求创新,将生产外包给代工厂,就会产生工艺上的「黑盒子」。另外,学术研究往往远离当下的制造问题,因此时常偏离商业化的道路,无法驱动产业的创新。

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来自公共(非国防)研发支出在上世纪90年代骤升,后来进入停滞阶段,作者根据美国科学促进会数据计算。

考虑到学术研究往往是围绕着远离当前生产的问题而构建的,因此,它有时无法为现有技术的替代应用或替代过程驱动的创新路径提供见解也就不足为奇了。由于「科学政策」让这个小组负责整个行业的长期创新战略,这一盲点不容忽视。事实上,摩尔定律的失败,以及在许多应用中转向异构芯片的独特设计,很好地说明了创新往往意味着在任何时候技术发展的多条路径。

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美国联邦政府研发费用拨款从产业流向大学,作者根据美国科学促进会数据计算。

 八 

尾声

历史表明,科学政策是产业政策的必要补充,但本身是不够的。协调研发是任何解决方案的必要组成部分,但并非全部解决方案。

为了获得工艺改进,并确保劳动力具备在技术前沿操作的足够技能,该行业需要看到持续的产能扩张。然而,正如我们之前所显示的,在低需求环境下,私营企业明显不愿进行不确定的投资。产业政策,通过结合政府采购和融资担保、直接融资等方式,是为该行业提供充足流动性的唯一途径,以确保产能扩张足够快,该行业保持在技术前沿。同时,政府有财政能力让国内企业生产落后的半导体产品,以保障国家安全和供应链的弹性理由。从长远来看,以股东最大化为目标的产业外包政策尚未形成。

同样重要的是要认识到,整个经济的强劲需求,因此劳动力市场普遍吃紧,尤其是半导体生产的劳动力市场吃紧,对这些政策的成功至关重要。由政府主导的大规模投资将为不同经验和技能水平的人创造良好的就业机会。这将创造一个高技能的劳动力,以及大量的机会,这种边做边学,推动有意义的过程改进。在高技能、高资本密度的产业中,劳动力的表现几乎就像另一种形式的资本商品,为投资带来明显的红利。然而,在缺乏足够的就业机会的情况下,这些专业技能会随着工人转移到其他行业而消失。这并不是说提高劳动力技能就足够了,立法制定培训计划而不同时创造必要的工作和投资,将很快证明是弄巧成拙的。

一些人可能会在半导体和其他关键行业的产业政策所需资金的规模上退缩。这是一个巨大的市场,有着巨大的价格标签,现代制造工厂耗资数十亿美元。然而,半导体是一项关键的通用技术,几乎进入每个供应链。大规模的产业政策可以防止瓶颈拖累经济增长,同时为我们的国家安全需求创造一个强大的国内供应链。相对于半导体技术的初始投资,回归产业政策的成本要高得多,但回报甚至更高。作为4万亿美元基础设施建设或两党合作的供应链法案的一部分,振兴落后和领先的行业,回到一个强大的竞争生态系统,是一项不容错过的好投资。图片

参考链接

http://asia.nikkei.com/Business/Tech/Semiconductors/Foxconn-chip-tool-unit-weighs-building-first-ever-US-plant

http://employamerica.medium.com/a-brief-history-of-semiconductors-how-the-us-cut-costs-and-lost-the-leading-edge-c21b96707cd2

编者按:本文转载自微信公众号:机器之能(ID:almosthuman2017)


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