《维持美国在半导体制造领域的竞争力-芯片法案激励优先事项》

16美国智库CSET【1】《维持美国在半导体制造领域的竞争力-芯片法案激励优先事项》报告重要内容简述为了重振美国本土半导体制造业,如何分配激励款项是《美国芯片法案》能否帮助美国巩固在先进半导体制造领域领导地位的关键。

芯片实验室赵工 半导体工程师 2022-02-12 08:16

美国智库CSET【1】《维持美国在半导体制造领域的竞争力-芯片法案激励优先事项》报告重要内容简述

为了重振美国本土半导体制造业,2021年国会通过了《美国芯片法案》(CHIPS for America Act),该法案授权美国商务部管理约390亿美元联邦拨款(以下称为激励款项),用来资助建设新的半导体制造设施【2】,以激励芯片制造商提高在美生产能力。许多美国和非美芯片制造商都希望能从激励款项中分得一杯羹。如何分配激励款项是《美国芯片法案》能否帮助美国巩固在先进半导体制造领域领导地位的关键。

2022年1月,美国智库CSET发布了《维持美国在半导体制造领域的竞争力-芯片法案激励优先事项》的报告,该报告评估了当前美国在半导体制造能力方面存在的突出风险,并从国家安全角度最迫切需要回流的芯片制造能力、现有激励款项下建设多大的产能、如何分配激励款项三个方面,给出了有效使用370亿美元激励款项【3】的政策建议。

一、美国半导体制造能力风险评估结果

(一)逻辑芯片【4】过度依赖中国大陆和中国台湾,将威胁美国经济和国家安全。

一是,美国在逻辑芯片上的消费每年达数百亿美元,这其中约25%的逻辑芯片消费是用在人工智能、数据中心、军事以及汽车 (包括军用车辆)等敏感领域。二是,美国境内5nm逻辑芯片(以下称先进逻辑芯片)产能为零,而16nm节点以上的传统逻辑芯片(以下称传统逻辑芯片)产能仅占全球的8%。三是,先进逻辑芯片制造能力约85%位于中国台湾,全球传统的逻辑芯片制造能力约65%位于中国大陆和中国台湾。中国台湾地区在未来十年面临地震、海啸等自然灾害和政治混乱的重大风险,可能会导致逻辑芯片供应中断的发生。

(二)动态随机存取存储器(DRAM)过于依赖韩国,也存在一定风险。

一是,DRAM芯片对美国经济至关重要,但美国境内DRAM芯片生产能力非常有限。全球DRAM芯片的需求基本由美光、三星和SK海力士三家公司满足,美光公司目前在美国本土没有领先的DRAM芯片生产能力。二是,全球DRAM芯片的产能50%集中在韩国,其余约43%位于中国大陆和中国台湾。由于韩国紧邻朝鲜,DRAM芯片制造面临供应中断的风险处于中度。

(三)闪存、模拟、光电子、传感器和离散器件等其他类型的半导体器件供应面临重大中断的风险较低。

一方面是因为这些器件的生产没有集中在韩国、中国大陆和中国台湾;另一方面,即使是在供应中断的情况下,大多数也可以找到替代。

二、关于使用370亿美元激励款项的政策建议

为确保美国政府将激励款项用于资助对美国经济和国家安全最重要的芯片制造业回流本土,改变全球半导体制造业的格局,该报告提议芯片激励的优先级顺序为:先进逻辑芯片(最高优先级)、DRAM芯片(第二优先级)、传统逻辑芯片(第三优先级)。具体政策建议如下:

(一)美国应重建先进逻辑芯片制造能力,以期到2027年左右满足本土需求。

基于先进逻辑芯片具有重要的战略意义以及中国台湾地区发生动荡导致供应链中断风险较高两方面的考虑,先进逻辑芯片应获得最高的资助款项。一是建议230亿美元(约占芯片激励款项的62%)的芯片激励款项用以提升先进逻辑芯片制造能力。这些激励款项足以支撑到2027年左右美国先进逻辑芯片制造能力满足境内的消费需求,并将鼓励英特尔、三星和台积电在美国的长期稳定存在。二是建议先进逻辑芯片激励款项在英特尔、三星和台积电三家企业之间按照1:1:2的原则进行分配。美国对先进逻辑芯片的需求主要来自英特尔、三星和台积电三家芯片制造商【5】。若230亿美元用于提升先进逻辑制造能力,可以确保在美国新建4个先进逻辑芯片晶圆厂。由于上述三家企业的芯片制造能力不可互换,230亿美元的款项应按美国对英特尔、三星和台积电生产的芯片的需求进行分配【6】,具体分配比例见附录表2,相当于支持英特尔和三星各新建1家晶圆厂、台积电新建两家晶圆厂【7】

(二)美国应在本土新建一家先进的大型DRAM芯片工厂。

一是建议50-100亿美元的芯片激励款项用于提升美国境内DRAM制造能力。DRAM经济规模高,成本效益最低的DRAM晶圆厂的月产能是10万片,相当于目前全球DRAM产能的6%左右。当全球DRAM芯片出现严重短缺时,月产能10万片即可满足美国DRAM最敏感的应用领域需求,新建一家月产能10万片的DRAM晶圆厂将需要50-100亿美元的资金。二是建议DRAM激励款项给予美光公司。全球DRAM的需求基本由美光、三星和SK海力士三家公司满足,这三家生产商的产品在很大程度上是可替代的。考虑到DRAM投资具有大规模性和长期性的特点,DRAM的激励款项应给予在美国具有长期生存能力和对美忠诚的公司。作为总部位于美国的唯一一家存储芯片制造商,美光将是很好的对象。

(三)美国应与盟友协调,用来重塑传统逻辑芯片制造能力。

一是瞄准传统逻辑芯片境内产能缺口,用剩余的40 - 90亿美元激励款项建造2 - 5家传统逻辑芯片厂。虽然这不会完全满足美国对传统逻辑芯片的需求,但可以覆盖敏感应用领域的需求。二是联合盟友(特别是德国、日本和韩国)投资传统逻辑芯片制造,以减少全球对中国大陆和中国台湾的依赖。德国、日本、韩国、新加坡等都具备传统逻辑芯片制造能力,联合这些国家投资传统逻辑芯片制造,美国可将更多的激励款项用于提升先进逻辑芯片制造能力。

(四)美国应联合东亚盟国参与评估和协调关于半导体制造的激励措施。

一是,进一步研究和了解日本和韩国为其芯片制造商提供的激励措施的水平。二是,与盟友(尤其是中国台湾和韩国)协商调整激励措施,以鼓励供应链的弹性和多样性。

附录:

表1. 不同类型半导体器件回流的相对需求

注:(1)橘色:表示未来更容易发生供应短缺;

(2)*:数据 25%是先进和传统逻辑芯片加起来的统计结果,当前 Gartner的数据尚无法区分不同节点芯片的销售情况。

表2. 美国对先进逻辑芯片需求的估算

注:以2021年年出货量为标准进行计算

注脚

【1】 CSET简介:CSET是美国乔治敦大学(Georgetown University)沃尔什外交学院 (Walsh School of Foreign Service)下属智库安全与新兴技术中心(Center for Security and Emerging Technology, 简称CSET),乔治城大学拥有“政客乐园”的称誉,乔治城大学沃尔什外交学院与哈佛大学肯尼迪政治学院、约翰·霍普金斯大学保罗·尼采高级国际研究学院、哥伦比亚大学国际与公共事务学院齐名,为美国及世界各国政府机构输送了大量杰出的领导人。

【2】包括已经在建的和计划新建的芯片制造厂

【3】390亿美元联邦拨款中有20亿美元是为成熟技术节点预留的,该部分刺激款项的使用不在该报告研究范围。

【4】包括16纳米(nm)节点以上的传统逻辑芯片和5nm节点的先进逻辑芯片。

【5】英特尔主要专注PC机和服务器芯片,三星主要专注于平板电脑和智能手机芯片,台积电可提供几乎所有先逻辑芯片的代工。

【6】CSET估计,美国先进逻辑芯片的消费英特尔占25%,三星占20%,台积电占55%。

【7】目前,英特尔、三星和台积电都已经有了在美国新建先进逻辑芯片厂的计划,若这些计划不依赖于芯片法案的激励款项,节省下来的资金可用于投资于未来几代的先进逻辑芯片。在这种情况下,未来的激励款项仍应遵循类似1:1:2的比例分布在英特尔、三星和台积电的晶圆厂。

来源: 集成电路产业研究

作者:孟祥翠、冯锡平

半导体工程师

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