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冯昭奎:中日高科技发展的比较与思考——以半导体芯片制造技术为案例

更新时间:2022-11-09 09:33:00
作者: 冯昭奎  

   摘要:半导体芯片的重要性对于我们国家而言就如同“两弹一星”;对于个人而言就如同身份证。20世纪60—70年代以来,我国芯片制造行业经历重重曲折,克服种种困难,取得了巨大发展和成绩,中国大陆本土厂商的芯片产能占全球总芯片产能的比例不断提高,2021年已上升至8%,但在不可缺少的高端芯片、光刻机等核心技术和装备方面仍然受制于人。如同日本的芯片产业在20世纪80—90年代受美国无情打压一样,如今中国芯片产业正在受到美国更加严厉的打压、限制和“断供”,美国还在积极拉拢其重要伙伴打造“孤立”中国的体系。考察同样受到过美国打压的邻国日本芯片技术和产业的发展和问题,比较中日两国芯片技术和产业经过的不同道路,有助于激发我们继续披荆斩棘推进我国芯片制造技术和产业不断向前发展的政策思考。由于《瓦森纳协定》,长期以来我国与日本之间的高科技合作受到严重阻碍。但日本众多芯片技术相关企业为自身发展不会放弃中国这个巨大市场,道理同样适合于韩国、中国台湾地区乃至美国。芯片产业是全球化的产业,民间企业常常是全球化的重要推动力量,中国与芯片技术先进国家之间的民间交流与合作仍然大有可为。

  

   关键词:半导体;芯片技术;日美半导体摩擦;芯片四方同盟

  

   作者简介:冯昭奎,男,中国社会科学院荣誉学部委员、日本研究所研究员(北京100007)。

  

   文章来源:《日本研究》2022年第3期

   科技是第一生产力,是综合国力的最重要组成部分,科技竞争是当代综合国力竞争的核心和前沿。二战结束以来,振兴科技日益成为世界各国强大的国家意志。二战后美国经济增长的四分之三来自技术创新;国土面积相当于中国1/400、周边环境除了沙漠就是冲突的以色列居然凭借科技先进而跻身发达国家行列。

   如今,高科技发展正在给世界带来日新月异的改变,既改变“和平”的形态(如智能化生活日益进入寻常百姓家),又改变“战争”的形态,如战争“无人化”“智能化”“空天一体化”及“无形化”(网络战、电磁战)。(1)战争形态的这种巨大变化在正在进行中的俄乌战争中日显端倪。

   与此同时,当今高科技竞争本身也日趋激烈,以致在20世纪70—80年代日美半导体贸易摩擦被称之为“日美半导体战争”,近年来超级大国美国居然对中国民营企业华为公司开打“科技战争”和围追堵截。

   2022年8月,美国与日本、韩国和中国台湾结成“芯片四方联盟”,[1]它的一个重要目的就是限制中国大陆的芯片产业发展。这个联盟堪称“半导体史上最强联盟”,它的组成堪称是美国对正在崛起的中国大陆芯片产业乃至对我国高科技发展的一次最严重的挑战和打击。

   本文以芯片制造技术和产业为案例,(2)通过比较中日高科技发展,就当前我国高科技发展面临的风险和挑战提出一些对策性思考。

  

   一、从芯片的用途看芯片的重要性

  

   晶体管和集成电路是美国分别在20世纪40年代末和50年代末研制成功的,20世纪50年代中期日本使用晶体管取代真空管制造便携式半导体收音机(比如五管半导体收音机使用了5颗晶体管)。50年代末美国为了实现军事装备小型化,又开发了集成电路,集成电路就是将晶体管等电子器件高度缩小,集成到如指甲大小的半导体芯片上,从最初在小芯片上刻制数十个,发展到刻制直至数十亿个晶体管等电子器件,形成含有适应各种需要的极为复杂的芯片,因芯片以半导体为主要原材料,集成电路为实现功能的核心,因此常以半导体或集成电路代称。

   随着芯片技术的发展,其用途越来越显示出三大特点:其一是日益成为高精度导弹等武器装备不可或缺的器件;其二是被广泛用于航空航天、星际飞行、医疗卫生、交通运输乃至计算机、机器人、汽车电子设备等各行各业的产业链,被认为是取代钢铁的“产业之粮”;其三是芯片的应用又非常贴近人们的生活,被广泛用于手机、电视机、取款机等人们家中或身边用品,比如手机含有一百多块芯片,新能源汽车含有一千多块,尤其是我国的第二代身份证采用射频识别芯片,身份证内的射频芯片使持有者都能拥有一个微型短波无线电通信收发机,它虽然没有电池(身份证没有充电器),却能借用身份证读卡装置的微弱能量为自己充电。(3)

   芯片是国之重器,相关制造业是关系国家安全和国民经济命脉的战略性、基础性和先导性产业。鉴于芯片的这种特点,它日益成为世界各大国高度重视的战略技术之一。美国所有的尖端武器装备都建立在极其先进的芯片技术基础之上。从2022年开始,美国众参两院通过议案,决定将在五年内为半导体研发、传统芯片制造、封装研究和微电子开发提供520亿美元的紧急资金,其理由是,虽然美国在芯片设计方面处于领先地位,但全球近90%的芯片制造能力位于其他地方——主要是中国台湾和韩国,这使美国在发生贸易争端、军事冲突时面临供应链中断的重大风险。与此同时,日本执政党国会议员也成立了半导体专项课题小组(2022年7月去世的日本前首相安倍晋三曾担任该小组的资深顾问)。该小组认为,半导体对日本经济安全而言,是不可或缺的,希望将来通过与美国和其他伙伴国家的合作,建立强大的半导体供应链。当然,我国历来高度重视发展芯片技术。笔者认为,对于我国来说,发展芯片技术就如同当年研制“两弹一星”一样,是关系到我国国运的大事。

  

   二、日本芯片制造技术与产业发展问题

  

   20世纪40—50年代,半导体晶体管和集成电路相继在美国诞生。如果说20世纪50年代日本的晶体管工业在很大程度上是以生产具有海量市场需求的大众化消费品——晶体管收音机作为“跳板”而起飞的,那么,60年代日本的集成电路产业在很大程度上是以生产同样具有海量市场需求的大众化消费品——计算器作为“跳板”而起飞的。(4)

   日本从美国引进军事目的开发的集成电路技术用于民用产品的开发与生产,相当于一次“跨国军转民(即军用技术在民用领域的拓展)”。[2]在美苏冷战时期,美国为了与苏联开展狂热的军备竞赛而把主要精力耗费于发展军事技术,基本上无暇大力发展民用技术;而作为战败国的日本被禁止发展军工产业,但又需要集中力量恢复经济和推动经济增长,因而大力发展民用产品和技术,并通过大众化的比军需市场大得多的民生市场竞争有力地推动了集成电路技术的进一步发展。

   20世纪70年代,日本芯片产业通过从美国引进技术完成了初步的技术积累,富士通、三菱电机、东芝、日立、NEC等电子企业迅速发展。1976—1980年,通产省电子技术综合研究所遴选出对芯片技术具备深厚知识功底和较强协调能力的专家,并令其牵头,组织富士通、NEC、日立、东芝和三菱电机五家计算机大公司组成了“超大规模集成电路技术研究组合”(简称“组合”),(5)“组合”的主要课题是研究企业共同需要的、无力单扛巨大人力财力的基础课题,以便集中使用研究资源和经费,避免重复劳动,更快取得研究成果。作为一个临时性组织,“组合”在开展共同研究的四年里,共提出了1200多项专利、300多项商业机密技术等,[3]最终突破1微米加工精度大关,使制造当时最有代表性的集成电路——100万位DRAM(动态随机存取存储器,一种常用电脑内存)超大规模集成电路(6)成为可能。

   在上述“组合”开始活动时,日本芯片业主要依靠从美国、西欧进口制造设备,随着研究活动的铺开,“组合”日益转向使用国产设备和材料,(7)努力促使日本芯片业尽快转变为主要依靠国产设备和材料的独立自主的工业部门。在“组合”开展研究活动期间,“组合”与相关设备生产企业相互配合,共同开发了各种类型的电子束曝光装置(光刻机)、干式腐蚀装置等制造VLSI的关键设备。由于芯片企业掌握着制造芯片的技术窍门和经验,设备制造企业则掌握着制造“制造设备”的技术窍门和经验,为了研制出高性能的“制造芯片的设备”,最好的办法就是促进双方的技术窍门和经验互补与融合。为“组合”提供芯片制造设备和材料的企业(主要是中小企业)共有50多家,“组合”很善于发现、培养和利用这些企业的专长,将它们原来“各自为战”的努力聚焦于一个共同目标——开发超大规模集成电路,从而形成了一次国产技术大动员。[4]

   随着美国等发达国家计算机行业的发展,对DRAM的需求快速增长,DRAM成为芯片业的主流产品,计算机对芯片的需求增长导致20世纪80年代日制DRAM在全球市场中所占份额不断上升。1980至1986年,美国的芯片占全球芯片市场的比重从61%下降到43%,而日本则由26%上升至44%,超越美国成为全球第一芯片生产大国。[5]1990年在全球十大芯片公司中,日本占六家,NEC、东芝及日立公司高居前三位,英特尔仅居全球第四,韩国的三星尚未能进入前十。

   日本通过引进美国为军事目的开发、用于军事用途的晶体管和集成电路等军用技术,将其转用于大众化民用产品制造。基于比军需市场大得很多的民生市场竞争有力地推动了日本芯片等高技术的进一步发展,产生了一系列“青出于蓝而胜于蓝”的军民两用高技术,日本芯片业引起了美国军方的高度关注。1983年作为军事技术大国的美国居然要作为民用技术大国的日本提供包括芯片技术在内的16项军民两用技术清单,[6]这又相当于一次高技术“跨国民转军”。

   与此同时,随着日本高技术的迅速发展,日美贸易摩擦愈演愈烈,以致被称为日美“半导体战争”,美国力图通过贸易战迫使日本开放市场和让渡经济利益,从战略上遏制日本对美国的技术追赶。到了80年代末至90年代,遭到美国打压而严重削弱的日本半导体产业又遇到集成电路产品结构和集成电路产业结构的两大变化,并因为自己的墨守成规而在两大变化的潮流中大大落伍。

   (一)芯片产品结构变化

   日本芯片产业的崛起是以主要用于大型计算机内存的DRAM为切入口的,进入20世纪90年代,个人计算机取代大型计算机成为计算机市场上的主流,DRAM的主要消费需求也从大型计算机转向了个人计算机。个人计算机对DRAM的要求与大型机有所不同,重点是价格低,对质量和可靠性要求不太高,而日本半导体企业却仍然执着于高质量和价格较高的DRAM产品,这导致日本生产的DRAM在成本方面逐渐丧失优势,日益被韩国、中国台湾地区生产的低价DRAM夺走了市场(韩国还从日本半导体企业挖走了很多技术人才),1998年韩国取代日本成为DRAM第一生产大国。(8)另一方面,个人计算机市场的扩大又导致美国所擅长的技术含量更高的微处理器在集成电路市场上的比重逐渐超过DRAM,以致1993年美国在整个半导体市场占有率方面反超日本而重新夺魁。

   (二)芯片产业结构变化

   1987年创立的台湾积体电路公司(简称“台积电”)开创了晶圆“代工”(Foundry)新业态,促使芯片产业从“垂直统合”模式(从芯片设计、制造到封装测试的各个环节都在本企业内部完成)逐渐转向“垂直分工”模式(即半导体公司只搞芯片设计而将芯片制造外包给“代工厂”)。(9)众所周知,随着加工技术越来越“微细”,芯片制造成本日益提高,芯片产业的“烧钱”特性日趋突出,越来越多的企业感到无力承担芯片生产全过程的巨额资金。

将芯片设计和芯片制造分开的“垂直分工”模式提高了需要巨额设备投资的代工厂的运营效率,降低了“轻设备投资”的芯片设计企业等企业的准入门槛,(点击此处阅读下一页)


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本文责编:陈冬冬
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