战略与国际研究中心2024 年 2 月 14 日研究报告《优化美国对关键技术和新兴技术的出口控制--与合作伙伴合作》的一部分
计算机芯片"是可与 "半导体 "互换使用的术语，包含一种半导体材料，上面有大量独立的晶体管。每个晶体管都是一个独立的半导体器件，具有自己可控的电阻率。芯片包含的晶体管越多，计算能力就越强。由于芯片的尺寸限制了效率，科学家们试图制造出越来越小的晶体管，以增加每个芯片上潜在的晶体管总数。如今，尖端半导体的晶体管尺寸为 2 到 3 纳米（nm），能够执行强大的计算任务。不太复杂的芯片用于日常电子产品，如厨房用具、汽车、医疗设备和耳机等基本消费电子产品。
另一方面，尖端芯片则用于高级计算、人工智能、第五代（5G）电信、自动驾驶汽车和最新智能手机等领域。在精确制导导弹和无人驾驶飞行器等现代军事装备中也能找到芯片的身影。CSIS 2022 年的一份分析报告认为，"美国所有主要国防系统和平台的性能都依赖于半导体"，随着现代军队将人工智能纳入其工具库，他们将继续需要更多的尖端芯片。鉴于芯片令人担忧的双重用途性质，华盛顿对尖端半导体的政策，就是要在美国与其战略对手之间拉开相当大的能力差距。2022 年 9 月 6 日，美国国家安全顾问杰克-沙利文呼吁制定出口管制政策，帮助美国在 "先进逻辑和存储芯片 "等领域 "尽可能保持领先地位"。
对于尖端半导体而言，由于先进的制造设备和方法只集中在少数几家公司，因此，供应链中存在若干 "咽喉"。半导体制造流程的第一阶段是芯片设计，企业在这一阶段规划芯片的物理结构，针对不同的目标优化芯片的功能。
早期计算机芯片的晶体管数以千计，都是手工设计，但是，如今的尖端芯片需要专门的电子设计自动化软件（EDA）来模拟晶体管尺寸微小的复杂设计。 这种软件很难制作，需要专业人员掌握专门的知识，他们通过对集成电路的三维设计建模，开发和优化半导体设计，以便在不同的工艺和技术中使用，然后在制造时将其集成到芯片中。集成电路根据不同的用途进行不同的设计，比如，让智能手机连接到 SG 网络的芯片，这些与处理机器学习相关数据的芯片在外观和功能上都不同。通过 EDA 软件，芯片设计人员可以对这些不同的设计进行建模和仿真。
人工智能已日益成为 EDA 的重要组成部分。试用人工智能增强工具的芯片设计人员能够比人类更快、更高效地设计芯片。
根据 Deloitte Insights 的预测，用于芯片设计的先进人工智能工具的市场增长速度，预计将超过其他电子设计自动化软件 （EDA ）工具的 2 倍。因此，与 EDA 相关的专有技术可细分为构建 EDA 系统所需的专业知识和使用这些系统所需的专业知识。由于 EDA 工具开发是一个相对利基的领域，专家很少，因此 EDA 领域的人力资本是半导体供应链中的一个关键瓶颈。
全世界的芯片设计工程师有数十万人。然而，近年来该行业出现了人才短缺问题，而使用人工智能增强型 EDA 工具可能会缓解这一问题。由于人工智能使生产更先进、更高效的芯片设计变得更容易，因此需要更少的芯片设计人员来完成同样的工作量，从而减少了该行业对专业技能的需求。
图 4 美国是全球最强大的人工智能国家
美国是半导体设计总体市场份额最大的国家，2021 年将占据该领域（不包括 EDA 工具）46% 的收入份额；拥有三星和 SK 海力士等公司的韩国占据全球设计收入的 21%；日本和欧洲均占据 9%；中国台湾占据 8%，中国大陆占据全球芯片设计收入的 7%。就 "核心知识产权"或与芯片设计相关的知识产权而言，美国和英国占据了全球 95% 的市场份额，而中国大陆则不到 2%。2022年10月7日，美国商务部发布了新的出口法规，其中包括阻止中国获得美国的EDA软件。中国自己的软件与美国的替代品不相称，因此，这一政策转变将限制中国政府在国内制造尖端芯片的希望。
然而，中国并不生产现代 EDA 所能处理的 2-3 纳米先进半导体，因此，中国的设计人员可以放心地使用国产软件来设计晶体管稍大的芯片。 美国的出口管制也起到了刺激中国公司在设计领域开发高质量替代产品的作用。在整个 2022 年，总价值达 4720 亿元人民币（合 660 亿美元）的中国半导体设计公司从股票市场筹集了更多资金，这表明了国内的增长。国内企业需要投资开发 EDA 替代方案，使中国芯片制造商的设计最终处于领先地位。
鉴于美国与德国和英国等主要盟国在半导体价值链的设计环节占据主导地位，目前的出口限制措施制定得非常合理。然而，中国企业在发展本土产能方面却有着惊人的韧性。因此，拜登政府设定硬性上限而非滑动标准的做法在未来可能会适得其反，尤其是考虑到该政策仍然依赖于盟国，而这些盟国可能在未来不再愿意牺牲其国家冠军企业的大部分收入来支持美国的政策。与其他关键的新兴技术一样，这种情况凸显了建立多边机制并使之制度化的必要性。
制造
芯片一旦设计完成，就必须进行制造。制造过程的投入是原材料和半导体制造设备。在供应链的这一环节中，需要几类专业公司来弥补设计与实际产品之间的差距。就半导体硬件而言，经营制造材料和化学品的公司主要集中在美国、德国、日本、中国台湾、韩国和中国大陆。截至 2021 年，中国台湾在这一领域占据了 25% 的市场份额，其次是中国大陆，占 15%，欧洲占 9%。不过，后两者分别在原材料和化学品领域占据了重要位置。
现代集成电路的开发，需要在半导体材料上使用一种名为光刻的工艺，这种工艺利用光束来制造具有微小晶体管尺寸的芯片。
深紫外（DUV）光刻技术，可用于持续制造小至 14 纳米的芯片。极紫外（EUV）光刻技术是制造 7 纳米及以下尖端芯片的最先进技术。极紫外光刻机是荷兰 ASML 公司 "完全独有 "的设备，因此在考虑出口管制时成为一个关键的瓶颈。代工厂有两种类型： 所谓 "纯玩型"，是指只经营制造业务而不销售自己设计的芯片的专业公司；"非纯玩型"，是指提供代工服务但同时销售自己制造的芯片的公司。历史上，大多数半导体公司都有自己的代工厂。
但是，随着时间的推移，公司发现自己的代工能力并不一定符合内部需求。最终，1987 年，台湾半导体制造公司（TSMC）成为第一家纯粹的代工厂，专门负责制造其他 "无晶圆厂 "公司设计的芯片。这种业务模式主导着今天的格局。台积电是半导体制造市场上遥遥领先的企业。2020 年，台积电占全球销售额的 45%，韩国三星占 15%，台湾联电占 6%，美国 Global Foundries 占 5%。
中国最大的晶圆代工企业中芯国际集成电路制造有限公司（SMIC），在 2020 年仅占全球市场份额的不到 4%。总部位于荷兰的光刻设备供应商 ASML 是尖端半导体制造机械方面最重要的公司。虽然 ASML 是唯一一家生产 EUV 设备的公司，但许多公司都能生产功率稍低的 DUV 设备，可以可靠地制造出晶体管尺寸为 14 纳米的芯片。日本公司尼康和佳能与 ASML 都是生产 DUV 光刻机的领先企业。就可持续生产 14 纳米级 DUV 光刻机而言，这三家公司占据了全球 100% 的市场份额。虽然最终高端光刻机产品的市场仅限于尼康、佳能和 ASML，但许多公司都在生产这些机器的部件。
2022 年第四季度，台积电一家公司就占据了全球半导体代工市场份额的 58.5%。同时，由于荷兰政府拒绝颁发出口许可证，中芯国际等中国公司无法使用 ASML 生产的 EUV 光刻机。截至 2023 年 9 月 1 日，由于美国的外交努力，荷兰和日本政府进一步限制向中国出口最先进的 DUV 光刻机。中芯国际为华为 Mate 60 Pro 生产的 5G 芯片就证明了这一点。 最后，韩国公司SK海力士和三星在制造内存芯片方面遥遥领先于美国和中国。
美国在全球半导体制造市场的份额仅为 12%，低于 1990 年的 37%。 美国决策者希望通过《CHIPS 法案》的拨款，将更多的半导体制造份额带回美国。值得注意的是，台积电将在亚利桑那州建立 "Fab 21"，计划于 2025 年开始生产支持 EUV 的 5 纳米芯片。三星晶圆厂也承诺在得克萨斯州建立一座支持 EUV 的晶圆厂，也计划于 2025 年开业。针对美国的出口管制，中国采取了自己的政策，以提高其在半导体制造市场的份额。2023 年 9 月，中国官员宣布了一项新的 400 亿美元国家支持的投资基金，旨在加强半导体制造设备等方面的发展。
在制造方面，美国与日本和荷兰达成的限制对华出口的协议瞄准了关键的咽喉，阻碍了中国开发尖端芯片的能力。美国还与韩国和中国台湾地区合作，因为它们在制造先进芯片方面占据着举足轻重的地位。然而，美国的做法可能会损害自己的信誉，因为它正日益让盟友陷入困境。比如，不让它们获得继续创新所需的资金，从长远来看，这种情况就像向中国出口先进芯片一样不利于国家安全。因此，与价值链中的设计阶段一样，美国应继续并改进其多边努力，而不是双边处理芯片控制问题。考虑到目前 "封锁点 "的有效性，拜登政府的 "硬上限 "方法，是只要所有相关国家都能正确执行。这种做法无需被恢复原状所取代。
组装
半导体的组装、测试和封装有两种商业模式：由芯片制造商提供内部服务，或外包半导体组装和测试。
由于在半导体供应链的这一部分取得成功所需的技术技能较低，公司历来利用劳动力成本较低的发展中国家的 外包半导体组装和测试公司或在那里建立自己的工厂来降低价格。虽然与半导体供应链的其他环节相比，ATP 的技术含量历来较低，但处于领先地位的芯片需要 "先进的封装 "才能达到足够的性能。
总体而言，组装、测试和封装市场主要由中国台湾地区（29%）、美国（28%）、中国（14%）和韩国（13%）占据。尤其是 外包半导体组装和测试公司，台湾以 58% 的市场份额遥遥领先，中国紧随其后，占 21%。主要的 外包半导体组装和测试企业有台湾的日月光和力成；中国的锦沧电子、同富和天水；以及新加坡的联合测试与组装中心 。随着半导体变得越来越复杂，对先进封装的需求也将越来越大，美国正寻求利用《CHIPS 法案》的资金来获得市场份额。然而，尽管加强国内制造是一个很好的目标，但它并不需要成为美国促进战略的主要支柱。鉴于台积电最近在建设亚利桑那州晶圆厂时遇到的困难，尤其是相对于其在海外更成功的企业而言，美国还应该优先考虑与台湾保持积极接触，以及与其他处于组装阶段的大型联盟企业和其他希望提高本国组装、测试和封装产能的友好国家保持外交关系。
这些努力将比简单的重新定位更有效率，从而促进多元化，摆脱目前在半导体供应链这一阶段占主导地位的中国。
来源：《优化美国对关键技术和新兴技术的出口控制--与合作伙伴合作》2024 年 2 月 14 日战略与国际研究中心 作者William Alan Reinsch、Thibault Denamiel 和 Matthew Schleich
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