血迹斑斑”的美日芯片战争

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• 现在让我们拉回30年前，同样是当时的经济老大和老二的科技和贸易的较量。从日本的芯片经验中，我们能学到什么？
• 冯昭奎：日本半导体产业的创新发展
  作者 中国社会科学院日本研究所研究员 冯昭奎中国社会科学院日本研究所《日本学刊》供参考消息网特稿
  中国社会科学院日本研究所研究员冯昭奎在《日本学刊》2018年第6期发表《日本半导体产业发展的赶超与创新》（全文约3.1万字）。
  冯昭奎认为， 日美“半导体战争”后，日本半导体产业的实力遭到严重削弱。进入21世纪，面对半导体产业结构的巨大变化和半导体产品市场的深刻调整，日本顺势而为，推动产业结构改革，开拓新兴技术领域，大力培育半导体产业发展新优势。
  
  随着日本半导体产业日益赶超美国，20世纪70—80年代爆发了日美半导体摩擦，异常激烈且旷日持久，被称为“半导体战争”。
  
  美国试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，“从贸易战的议题，到时间，到方式，全都由美国确定。美国还利用市场武器，大量培植对手的对手：在90年代中后期，韩国和台湾地区的芯片和电子产品开始大规模涌进美国和世界市场，对日本构成全面挑战”。
  
  日本半导体产业的崛起是以主要用于大型计算机的DRAM为切入口的，进入20世纪90年代，个人计算机（PC）取代大型计算机成为计算机市场上的主导产品，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、高可靠性，加之劳动力成本也比较高，结果丧失了竞争优势，被韩国、台湾地区生产的低价DRAM夺走了市场，1998年韩国取代日本成为DRAM第一生产大国。
  
  而且，早在1993年，美国就已经在技术含量更高的微处理器领域夺得对日压倒性优势，在半导体市场占有率方面反超日本而重新夺魁。
  
  同时，全球IC产业结构也发生了重大变化。20世纪60年代开始兴起的IC产业，一直都采用“垂直整合”（IDM）模式，从芯片设计、制造到封装测试的各个环节都在企业内部完成。
  
  随着微细加工技术的进步，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包揽IC生产全过程的资金负担太重，从而逐渐向“垂直分工”模式发展。
  
  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）新模式，即从芯片设计企业接单专做制造。“代工”模式出现后，IC产业分化为四类企业：
  （1）传统的IDM企业，即从芯片设计、制造到封装测试“一条龙全包”。如英特尔（Intel）、三星就是典型的IDM企业，它们规模大、技术全面、资金雄厚，甚至还有自己的下游整机环节。
  （2）只做设计的企业，没有工厂（fabless）。这些企业往往不仅从事芯片设计和开发，还亲自推销，全球顶尖的设计企业多为美英企业，如英国的ARM、美国的高通等。
  （3）代工企业，即只从事生产、不做设计，按照设计企业设计的集成电路图形，在晶圆上制造集成电路芯片。其代表性企业有台积电（2017年全球市场份额占比高达55.9%）、美国的格罗方德、中芯国际、台联电等。
  （4）封装测试企业，即将晶圆上的几百块小芯片切分开，给每块芯片连接导线，封装外壳，进行测试。这种垂直分工模式提升了“重设备投资”的代工企业的生产效率，降低了“轻设备投资”的设计企业和封装测试企业的准入门槛和运营成本，从而推升了整个IC产业的运作效率，加快了芯片技术的发展。对于多数IC企业来说，垂直分工模式是发展的必由之路。
  
  进入21世纪，因为日美“半导体战争”实力遭到严重削弱的日本半导体产业，既面临半导体产业结构的巨大变化，又遇到半导体产品市场的深刻调整，诸如智能手机市场迅速扩大。
  
  这两大变化使得长期以来在产业结构上以“垂直整合”模式为主、在产品上以DRAM取胜的日本半导体产业疲于应对，输掉了手机芯片、电脑芯片等具有海量市场（可依靠极大产量分摊芯片研制和生产成本）的高端通用芯片的国际竞争力，导致日本半导体产业在世界市场上的占有率一路下滑，失去了持续多年的相对优势，外界甚至评价称“日本半导体产业在世界上不再重要”。
  
  面对前所未有的困境，日本半导体企业与政府相关部门配合，努力推进大规模结构性改革，以图挽回颓势。
  
  2001年，日本政府开启了三个大型“产官学”项目——“MIRAI”、“ASUKA”和“HALCA”，其中“MIRAI”项目由日本经济产业省投资300亿日元，由25家企业的研究所和20所大学的研究室参与共同研究;“ASUKA”项目由 NEC、日立、东芝等 13 家半导体企业共同出资700亿日元，主要研制电路线宽为 65 纳米的IC芯片;“HALCA”项目除进行实用化制造技术的研究外，还进一步研究高速度、节省能源等技术。这些举措对于提升日本半导体产业的竞争力具有一定的效果。
  
  （一）日本半导体产业推行结构性改革的代表性案例
  
  1.2003年，由日立和三菱电机两家公司所属半导体部门合并成立瑞萨公司，2010年NEC又加入进来，成立了新瑞萨公司。该公司已在自动驾驶系统（ADAS）或自动驾驶汽车使用的微控制器（MCU）的世界市场上夺得主导地位，成为汽车用芯片、无线网络芯片、消费与工业制造嵌入式半导体芯片的全球领先供应商。2011年，瑞萨在全球MCU芯片市场中的占比达33%，排名第一，荷兰恩智浦公司和美国飞思卡尔公司排名第二和第三。2016年，恩智浦与飞思卡尔合并，瑞萨退居第二，占比降至16%。但是，2018年瑞萨公司又推出了28纳米线宽的首款闪存汽车MCU样品，可望进一步增强其MCU产品的全球竞争力。
  
  2.索尼公司通过剥离弱势业务，聚集优质资源开发CMOS图像传感器。2012年，索尼开发的全球首款“堆叠式结构”系统能将两块芯片叠在一起，一块捕捉图像像素，一块是传感器电路。2015年，索尼在摄影与智能手机用的高像素芯片领域拿下全球35%的市场份额。2018年，索尼开发的新传感器将灵敏度提高到1200万像素水平，可获得更明亮、更低噪声的图像。鉴于索尼在CMOS传感器方面长期积累的技术优势，目前主流智能手机大多采用索尼的CMOS传感器，而且CMOS传感器的应用范围早已不局限于智能终端，开始向汽车、医疗、工业以及安保监控摄像等领域延伸。
  
  3.2011年东芝在公司内部彻底改革“全能式”产业结构，着力开发高附加值的特色产品。早在1984年，东芝就发明了NAND闪存，这是一种比硬盘功耗更低、重量更轻、性能更佳的非易失性（断电后仍能保存数据）存储器。作为NAND闪存的创始者，东芝的IC部门将大部分精力都花在NAND领域。但随着三星电子等企业崛起（2015年三星电子在NAND闪存市场上以33.6%称雄，而东芝仅占18.6%），为了在NAND闪存领域再度实现突破，东芝大力开发可进一步扩充存储容量、加快处理速度的64层NAND闪存，并希望提前投产64层技术，以实现半导体业务的下一轮高增长。东芝的另一种特色产品是发光二极管（LED）和号称“第三代半导体”的氮化镓（GaN，一种化合物半导体），特别是氮化镓芯片，其重要性近年来引起普遍关注，一片直径约 5 厘米的氮化镓芯片的售价可达5000—7000美元，还供不应求，加上国际贸易中的技术壁垒，甚至出现了一片难求的情况。值得注意的是，军事和太空应用以及电力电子系统等要求半导体器件具有较强的空间辐射耐受能力，在放射性环境中具有更高稳定性，这恰恰是具有高速高效特征的氮化镓器件的优点。这意味着，一直以来用于汽车电信、消费电子和医疗等行业的氮化镓器件可能在军事和太空等重要领域拓展应用范围。据预测，全球氮化镓器件的市场价值将从2017年的7.7亿美元增至2023年的18.4亿美元，复合年增长率为17.1%，而亚太地区将成为增长最快的氮化镓器件市场。此外，东芝还推出了一款新型光电耦合器芯片，可用于电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）的高速通信。
  
  4.2015年富士通和松下两家公司的系统级芯片（或称“芯片上系统”，“system on a chip”，SoC）部门合并成立索喜（Socionext）公司，该公司提供以系统级芯片为中心的半导体产品和服务，并在视频图像领域和光纤通信网络领域具有竞争优势。该公司开发的360度全景成像系统“OMNIVIEW”可为汽车驾驶员提供视觉辅助，将安装在车辆四个方向的摄影机图像在三维模型上合成，不仅可协助停车，还支持行车中的周围环境监控。
  
  事实上，致力于结构性改革的多家日本半导体企业相继进行事业拆分和重组，退出技术含量不高的DRAM竞争，而集中开发系统级芯片等高附加值的专用技术产品。
  
  由于放弃市场巨大的通用性产品DRAM，日本半导体产业在全球半导体市场中所占份额显著降低，而系统级芯片虽然专用性强，但短期内市场规模不大，对提高日本半导体产业在全球市场上的地位不会很快产生作用。
  
  日本半导体产业看似进入衰退期，在全球半导体企业排行榜中名列前茅的日本企业越来越少（2017年“全球半导体十强”中的日本企业只有东芝一家）。但值得注意的是，系统级芯片不乏在今后5—10年成为半导体产业新增长点的可能性，因而相关研究具有“弯道超车”继续赶超美国、打造日本下一代半导体产业模式的意义。
  
  （二）日本半导体产业的新技术优势
  
  通过多年的产业结构性改革，加上既有的技术积累，日本半导体产业借力人工智能技术，正在多个领域夺取世界领先优势，并在半导体材料领域长期保有竞争优势。
  
  据统计，在2017年全球芯片市场中，销量排名第一位的是手机芯片，占比为25%，之后依次为个人电脑芯片（19%）、汽车用芯片（7.8%）、物联网芯片（5.8%）等;2018年，手机芯片销售额将可能比2017年增长8%，个人电脑芯片销售额将可能增长5%，汽车用芯片销售额将可能增长16%，物联网相关芯片销售额将可能增长16%。
  
  依此数据进行趋势预测可以发现，在今后的5—10年间，销量最大的很可能依然是手机芯片等，而复合增长率更高的将是汽车用芯片、物联网相关芯片等。
  
  在目前和今后的全球芯片市场中存在两类芯片，一类是在当前市场占有率高、今后增长率不高的芯片（如个人电脑芯片的复合增长率只有5%），一类是在当前市场占有率不高、在未来5—10年复合增长率高的芯片（如汽车用芯片和物联网相关芯片）。
  
  考虑到2020年以后可能出现4G手机升级为5G手机的一个渐进过程，同时汽车自动化可能不断进展，物联网在各个行业的渗透率将不断提高，可以预计：2019—2020年以后，全球芯片产业可能出现三个重大增长点：5G手机芯片、汽车自动化芯片和物联网相关芯片。而日本的半导体产业，虽然在“当前市场占有率高”的手机芯片、个人电脑芯片领域呈颓势，但在“当前市场占有率不高而今后增长率高”的汽车用芯片、物联网相关芯片的技术开发与商品化方面已经取得了令人瞩目的进展。
  
  1.用于自动驾驶系统和自动驾驶汽车的芯片
  
  自动驾驶汽车可理解为一个逐步升级直至实现完全无须人类驾驶员干预的“无人汽车”的“过程”，是一种依靠雷达、激光、全球定位系统、测距仪和计算机视觉来感知和检测周围环境，逐级减少人力操作直到“零操作”的机动车辆。日本是汽车产量仅次于中国的全球第二大汽车生产国（2017年），日本半导体企业预计自动驾驶汽车是下一个可望引领半导体产业发展的新兴应用领域。
  
  从瑞萨、东芝、索尼、索喜等企业的动向可以看出，自2015年日本半导体产业非常关注汽车产业对芯片的需求，以期维持未来增长。预计在21世纪20年代，自动驾驶系统乃至自动驾驶汽车的发展和普及将引发对“汽车芯片”的旺盛需求，而在MCU、CMOS传感器等“汽车芯片”技术领域日益确立优势地位的瑞萨等日本半导体企业或有可能大展身手。
  
  2.物联网相关芯片
  
  2015年，全球物联网（IoT）市场规模已达5982亿美元，有预测表明，到2023年全球物联网市场将进一步达到7242亿美元，即2016—2023年的复合年增长为13.2%。进一步而言，2025年将有750亿个设备与物联网连接，制造产品的工厂、供应链的所有领域乃至带有传感器的洗碗机都将是物联网的增长点。如前所述，物联网相关芯片可能是今后5—10年增长最快的芯片之一，其中单芯片MCU、集成MCU、无线的单芯系统级芯片（SOC）等是长年致力于开发系统级芯片的日本半导体企业所擅长的技术领域，物联网可望成为又一个牵引日本半导体产业发展的动力，日本可能成为比较理想的物联网芯片生产基地。
  
  3.机器人芯片
  
  机器人需用IC芯片来收集和处理信息，控制电机和执行器，以及与其他系统联网等。随着全球机器人销量增加，加上每台机器人使用芯片数量的增加和对更先进芯片的需求增长，机器人市场有望产生显著的芯片需求。日本有专家认为，“机器人产业不仅是日本发展战略的关键支柱，也是可望引领日本半导体产业增长的关键应用领域。”日本开发机器人芯片的一大优势在于，其半导体企业可以从早期开发阶段就与最先进的机器人企业合作，共同开发最先进的机器人芯片。
  
  早在20世纪80年代，日本即被称为“机器人王国”，至今在全球机器人及其关键零部件领域仍占领先地位，机器人已成为日本的一大出口工业产品。2015年，安川电机、发那科、川崎重工、不二越等日本机器人企业的销售量占全球工业机器人销售量的比例高达54.5%，在高精密减速器、力传感器等产品市场上的占比更高达90%。而且，近年来，随着日本大力开展“机器人革命”，其国内市场对服务机器人的需求增长将大大超过工业机器人。领先的生产技术和广阔的消费需求，将从供给和需求两方面推动日本的半导体产业更快发展。
  
  4.半导体材料技术
  
  各行各业的技术发展都立足于材料，特别是基础性材料。材料技术的特点在于，它不是靠“砸钱”就能很快发展起来的，需要经过漫长年月的反复研究与炼制，半导体产业所需的重要材料更是如此。
  
  截至目前，在 14 种半导体重要材料方面，日本均占有50%甚至更多的份额，是全球最大的半导体材料出口国，特别是在硅晶圆领域占有绝对优势。硅晶圆是制造各种芯片的基础，是技术门槛极高的尖端高科技产品，全球只有十数家企业能制造。
  
  全球前五大硅晶圆供货商分别是日本信越半导体（市场占有率27%，其单晶硅可达到纯度99.999999999%、即所谓“11个9”的水平，制造技术远超其他企业）、日本胜高科技（26%）、台湾环球晶圆（17%）、德国Silitronic（13%）、韩国LG（9%），这意味着日本制的硅晶圆占全球市场的一半以上（53%），尤其是这两家日本企业生产的200—300毫米的大尺寸硅片，占全球市场的70%以上。
  
  
  

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关键词：中国社会科学院 中国社会科学 Fables System 全球定位系统

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