中美走入「修昔底德陷阱」

中美走入「修昔底德陷阱」

2home.co  楊惟婷

 

「修昔底德陷阱(Thucydides’s Trap)」是美國政治學者格雷厄姆‧艾利森創造的一個術語,用來描述當「新興強國」威脅到「現有強國」的國際霸主地位時,導致的一種明顯的戰爭傾向。

 

美國近年來一直含糊地強調中國試圖改變國際秩序,所以它以「違反人權、民主自由」來圍堵、打擊中國,其實美國沒說清楚的是,中國試圖改變「美國第一」的國際秩序,因為如果美國不是第一,那世界一旦走向「大同」,那「美元霸權」及「軍火利益」將煙消雲散。

 

目前中國半導體消費量佔全球超過3/4,但本身產量只佔全球15%左右,所以中美科技戰的軟肋就在半導體產業,中美「晶片戰爭」於焉開打,而過去「全球化」的高效分工已經回不去了。

 

塔夫茨大學(Tufts University)國際歷史教授克里斯米勒 (Chris Miller)在《晶片戰爭:世界上最關鍵技術的爭奪戰》著作內容指出,第二次世界大戰期間,鋼鐵的產能決定各國戰爭執行能力,但自1990年海灣戰爭前後開始,矽晶圓開始打破這一趨勢,晶片的戰略重要性大幅提升。

 

美國2022年宣佈了《晶片與科學法案》的相關出口管制措施,全面阻止中國獲得先進半導體產品與技術。美國此種似曾相似的做法,最為人熟知的是20世紀80年代,對日本的半導體產業的摧毀戰。

 

美國對中國與日本的「晶片殲滅戰」,都是半導體技術與產業的經濟霸權競爭,兩次晶片大戰也都是「修昔底德陷阱」霸權爭奪的典型案例。

 

一、中美「晶片殲滅戰」是「七傷拳」!

 

中美「晶片殲滅戰」是美國對中國半導體技術的出口管制措施,以幫助美國保持在5G、雲端計算、人工智慧、自動駕駛,甚至軍事發展領域的優勢,亦即美國將半導體技術「武器化」,以阻止大陸在2025年取代美國成為超級大國。

 

美國限制對中國輸出半導體產品與技術的依據是源於《外國直接產品法規》(FDPR)。該法規於1959年頒佈,用於控制美國技術的交易,讓美國政府有權管制美國技術與該技術製造產品的交易。

在2020年8月,美國即引用此法規來阻斷「華為」獲得先進晶片的渠道。而美方此舉得以奏效,主要因為晶片是美國企業發明的,相關技術與設備零組件有極大部份都源自美國,這讓美國得以藉此控制全球半導體產業的產品與技術流向。

 

■《晶片與科學法案》是美國將半導體技術「武器化」

 

這次為了圍堵大陸晶片產業發展,拜登政府出手不手軟,從8/9日的《晶片與科學法案》(CHIPS and Science Act 2022)通過、美國號召日台韓共組「Chip 4」(晶片四方聯盟),到禁止14奈米(含)製程以下半導體設備賣給大陸、要求輝達(Nvidia)和超微停止向大陸銷售AI晶片。

接下來又限制用來開發3奈米以下晶片的電子自動化軟體的EDA出口,全球EDA掌握在synopsys、Cadence及西門子EDA三家公司手上,這三家企業全球市占率78%,這些管制措施直接打中核心,對於中國自主研發半導體,已帶來沈重壓力。

 

《晶片與科學法案》是美國全面構築一個對中國發展半導體的防線,此法將對美國半導體生產和研究挹注527億美元的「政府補貼」。包括520億美元的獎勵晶片業者,240億美元的租稅獎勵及未來十年2000億美元對高階晶片投資,總數2800億美元,這個法案出爐後,美光立即宣布未來十年投資400億美元,GFS與高通也宣布合作擴大採購,並在紐約翻新晶圓廠。

 

這個晶片法案也明列拿到補貼的企業,未來10年不得在中國投資,這擺明是孤立中國半導體產業,對於在南京有廠的台積電,在西安設廠的三星及在大連有廠的Hynix都會帶來衝擊。

 

目前大陸半導體市場中,在成熟製程方面,大陸已有能力自給自足,當地代工龍頭中芯國際有足夠的力量可以負擔。由於大陸相當擅長封裝、測試及組裝,所以中芯正在瘋狂增加產能,尤其在22奈米技術領域。

這次限令美國也把設備輸中限制在28奈米以上的成熟製程。包括科磊(KLA)、科林研發(Lam Research)及應用材料(Applied Material),要求出售14奈米製程以下設備給中國,必須取得商務部核准函。

 

晶片的「四方聯盟」是美國主導把美國、台灣、日本、南韓拉在一起,美國是半導體產業的大腦,主導設計;日本供應材料、設備與關鍵零組件;台灣負責非記憶體的晶片製造;南韓負責記憶體;這個四方架構完全把中國孤立、隔開。

 

之後,美國又補了兩槍,一個是禁止電子自動化軟體EDA移往中國,這對Synopsys、Cadence等帶來壓力。

另一個是美國禁止Nvidia、AMD的高性能運算GPU及AI晶片賣到中國,雖有一年緩衝期,但已經把過去模糊空間明確規範了。

目前看起來南韓仍猶豫,但為了補破網,美光立刻宣布到2030年之前投資400億美元蓋記憶體廠。

 

最近美國再加大力道,葉倫提出「友善供應鏈(Friend Shoring)」,呼籲各國把供應鏈移至友善國家。

拜登也提出「生技登月計劃(Cancer Moonshot)」,要求生技產業及生物製劑產業移回美國,美中產業加速脫鉤,對世界經濟勢力帶來巨大影響。

 

此次,美方的一連串動作,與2019年僅將華為、中芯列為制裁名單不同,美國試圖加強自身在全球半導體系統的核心位置,並確保大陸無法生產最先進的晶片,讓大陸突圍難度加高。

而控制半導體不僅是塑造未來經濟型態,更是掌握雲端計算、自動駕駛,甚至軍事發展領域。從iPhone到軍事武器都是以此為基礎,這些晶片被認為是解鎖未來技術的關鍵。

 

這次美國公布的《晶片與科學法案》,對中國半導體技術禁令範圍,包括晶片產品、生產設備、技術、關鍵材料、開發工具軟體、服務與人才等,其中對人才限制規定「未獲許可的美國公民禁止在中國從事晶片開發或製造工作,包括美國設備的售後技術服務人員」。

 

因此,如荷蘭光刻機製造商艾斯摩爾(ASML)在美國的員工即被禁止為中國客戶提供服務。

又如,派往大陸為長江存儲與長鑫存儲進行設備安裝的科磊(KLA)與泛林(Lam Research)公司的數十名技術人員也被通知,停止技術服務,並盡速返國。

美國這次進行的全面技術管制,對中國半導體業的影響非常巨大,後續發展值得關注。

 

另外,美籍華裔人士在中國創立許多家晶片設備和材料公司,例如做晶片設備的中微半導體設備(AMEC)的創辦人兼CEO尹志堯、中微的營運長杜志遊,以及大陸最先進的晶圓清洗機製造商盛美半導體(ACM Research)的執行長兼總裁王暉等人。此外,像瀾起科技、晶晨、恩瑞浦、拓荊科技、盛美上海、希荻微、思特威、安集等等,還有更多的半導體相關產業是由美籍華人創辦或主持,這些都是大陸目前發展自主的半導體產業鏈的重要支柱。

這次新規定讓許多美籍華裔高管措手不及。他們中的許多人在美國有海外家庭,並在美國擁有資產和財產,放棄美國籍太過困難。這些華裔美籍的企業家們手下也通常有數十至上百人的團隊,現在要把這些團隊人員拆散,對公司也是重大損失。

 

這場晶片戰爭,美國出手愈來愈重,中國要想突圍,難度十分高。美國現在採取的政策是緊縮半導體產業與其他敏感技術輸出規定,這種做法已經接近於冷戰時期對蘇聯技術禁運措施。

在面對美國的技術箝制下,大陸專家感嘆,企業要成功要有4個要素,技術、人才、管理與市場,現在大陸要發展半導體業,只有市場強大有足夠的吸引力,其他3項都缺乏。這樣的條件,對半導體產業企業未來的發展來說是相當致命的。

 

中美兩國漸趨競爭對立,雙方已從貿易戰打到科技戰,如今晶片戰爭全面開打,讓中美科技產業加速脫鉤,對世界經濟勢力將帶來巨大影響。

 

■中美尖端技術脫鉤,中國晶片產業面臨「史普尼克危機」

 

《路透》分析指出,拜登政府擴大了對中國晶片設備與技術出口限制,要求

向中國提供晶片生產設備與技術的美國公司必須事先獲得政府許可,此很可能嚴重打擊中國晶片自主發展路徑。花旗在其研究報告中表示,中美技術脫鉤可能成為中國技術創新的「史普尼克危機(Sputnik crisis)」。

 

波士頓諮詢集團估計,到2021年,一個國家如果要建立完全自給自足的晶片供應鏈,將需要至少1兆美元的前期投資。

專家認為,美國新的限制措施可能會刺激中國晶片製造商嘗試使用創造性的工程解決方案和不受制裁的舊技術來生產先進的晶片。

這也是中國最大的晶圓代工企業中芯國際(SMIC)之前嘗試過的途徑,他們用上一代的DUV光刻機造出了其他廠家用EUV光刻機才做得出的7nm晶片。

 

不過專家認為,即使這種嘗試在技術上可行,但是尚無法用這種方式來大規模生產可以商業化的產品。亦即,中國可以調整某些工具,但產量會是多少?如何實現商業化產量?這些都是致命問題。

 

■中美「晶片殲滅戰」是「七傷拳」

 

雖然,美國力圖重振半導體製造業,但結局仍有許多不確定因素。

台積電創始人張忠謀曾分析稱,台灣半導體業的優勢,是由大量優秀且敬業的工程師與技術人員構成,加上台灣半導體業的產業群聚非常成熟,這些都是美國發展半導體製造業缺乏的重要條件。即便美國投入大量資金與政策,要形成足夠的技術人才團隊以及成熟的產業落聚落,也需要相當的時間。

 

固然美國晶片法案有重要的產業政策引導作用,但是對半導體製造業來說,527億美元只是杯水車薪,未來的重點還必須倚賴各級政府的免稅政策與對產業的非投資性支持措施,同時也要引起投資機構的參與,才有可能形成足夠的力量來推動半導體製造業的發展。

 

尤其,美國晶片法案明確設定對中國的排除條款,要求半導體業者「選邊站」,這種手段有可能反而加速中國半導體產業國產化,尤其是在目前的成熟製程上加大佈局。

因為目前中國半導體成熟製程消費量佔全球超過3/4,但中國產量只佔全球15%左右。又如,目前全球半導體市場中,28奈米成熟製程大約佔了市場的2/3,未來幾年先進製程市場就算擴大,成熟製程仍將有一半的市佔率,所以這是未來中國半導體業者在市場的重要立足點。未來中國有機會藉著本土市場的需求支撐,逐步建立起國產的供應鏈與先進技術的研發能量。

 

目前,中國的設備製造商技術仍然落後於海外同行4到5年,一旦失去美國的設備供應商,中國企業就找不到替代品。

例如最近受到美國新規定打擊的長江存儲(YMTC)和長鑫存儲 (CXMT) ,都是中國打入全球記憶體市場的最大希望,與三星電子和美光科技等頂級企業並駕齊驅,但這次亦遭美國封殺。

 

但是,這次美國封殺外國設備製造商對中國的出口管制,其實是一記七傷拳。

例如科磊(KLA)、應用材料(Applied Materials)和泛林集團(Lam Research)各有大約30%的收入來自中國,中國是他們最大的市場,也是增長最快的市場。

新規定出台後,他們的營業收會受到很大的打擊,他們如果全部按照規定行事,將導致不少員工無事可做,公司未來營運將有危機。

或許,這也將為中國的設備製造商創造了吸引、挖角人才的極佳機會。

 

二、美國複制「絞殺日本晶片產業」手法

 

美國半導體產業,在上世紀中葉美國貝爾實驗室發明晶體管,接著德州儀器公司發明了積體電路(IC),當時幾乎都是軍方與科技研究在使用。

美國過去是晶片強國,在IC設計、晶圓代工及封裝領域都處於領先地位,但後來全球化盛行,後端代工、生產等業務開始移往大陸與其他生產成本較低的國家,這也讓美國自行生產半導體的能力下滑,被迫依賴亞洲。

 

而把IC用於民生用品是日本人的創舉,日本卡西歐(CASIO)把美國製造積體電路用在計算器上,橫掃全球市場,美方基於商業競爭理由停止供應IC給日本,日本政府就牽頭聯合了日立、NEC、富士通、三菱、東芝等大企業,投資了千億日圓研究IC製造,並由政府提供政策協助,同時進行IC關稅保護措施。

 

到了1980年,日本的IC品質已遠遠超過美國,成為全球半導體產業霸主,全球市佔率高達54%,超過美國的37%。

當時美國企業認為,日本之所以打敗美國,是透過政府補貼向美國市場傾銷,因此要求美國政府介入,另外,軍方也認為所有先進武器都需要半導體,美國必須掌握晶片產業優勢,於是美國決定對日本的晶片產業實施殲滅戰。

 

美國首先設計誣陷了日立工程師竊取IBM商業機密案,以此為對日晶片大戰營造輿論,接著在1985年祭出301條款,指控日方對美進行不公平貿易以及聯合壟斷市場價格機制,最後在1986年美日雙方簽訂了《半導體協定》,內容包括:議定IC「公平」價格、日本讓出國內2成採用美製IC、日本半導體業與美國分享技術、禁止日本半導體業協議出口價格。

此外,美國還針對最大的IC製造商日本東芝以傾銷為名進行制裁,包括5年內禁止出口美國並罰款150億美元,東芝半導體也因而一蹶不振。這些手段,目前正複制來殲滅中國的半導體產業。

 

美國當時為殲滅日本的半導體產業發展,刻意扶植了幾個幫手來對抗日本,主要是韓國三星,以近100%差距的反傾銷稅協助三星與日本競爭,而台灣的半導體產業也在這段期間進入市場,在台韓的夾擊下,日本半導體產業逐漸枯萎,1993年日本IC的全球市佔率只剩下6%。加上脅迫日圓升值的貨幣戰爭,在1990年代初期日本經濟開始走上泡沫化,使經濟跌入失落的30年。

 

然而,由於中國崛起太快,又加速發展軍事力量,讓美國深受威脅,引發「美國第二」的沈淪危機感,決定出手殲滅中國科技業的發展,其中又以半導體產業做為支點,想把中國打回石器時代。

 

總之,美國將這次與中國的競爭標定為軍事、經濟與科技…等「超限戰」,晶片只是撬動這些競爭標的槓桿支點。至於美國策略是否奏效?長期發展如何還很難預料,但肯定的是,中美全面競爭會愈來愈激烈,如同走入「修昔底德陷阱」。

 

三、美國《晶片與科學法案》將加快中國半導體產業「自主發展」

 

■中國已對美國技術領導地位造成威脅

 

中國國家主席習近平在「中共20大」會議中提倡「打贏關鍵核心技術攻堅戰」,他的號招反映出日益緊張的中美關係。而美國對中科技鎖喉戰將針對以下七個主要競爭的領域。

 

1、研發能力

 

隨著中國經濟快速成長,中國持續擴大技術投資,目前中國研發總支出僅稍微落後美國。此外,經歷2000年網路泡沫破裂和 2008-2009年全球金融危機,使美國研發支出增長急速放緩,反觀中國卻持續擴張。

 

據中國公布2021年官方投資增長14%,至約 3880億美元,成長力道大於2020年的 10.2%,另一方面,美國公布2021年度聯邦研發預算下滑 2.6% 至 1656億美元。

 

2、高科技產品需求

 

中國除了是全球最大出口國之外,在進口衛星、光纖、矽材、雷射光束等推動先進技術發展的產品方面,也是全球最積極的國家之一。

 

據南韓國際貿易協會 (KITA)提供數據顯示,過去十年中,中國在全球高科技產品的進口占比已從 16.3%穩定上升到 18.6%,其中部分成長可能和其作為世界工廠的地位有關。中國對高科技產品需求龐大,進口占全球比重將近五分之一。

儘管如此,大量進口也代表一旦美國加強出口管制,中國勢必會變得更加脆弱。

 

TrendForce 數據顯示,若美國出口禁令進一步擴大,中國在發展航太、軍武和人工智慧等領域所需的高性能運算能力 (HPC),恐將遭受嚴重打擊。

 

3、超級運算地位

 

中國的超級電腦數量在 2016年超越美國,排名全球第一,且差距在 2020年來到最大。不過,根據全球超級電腦排行榜「TOP500」,隨著美國收緊對中國取得先進設備的限制,中國的領先優勢正在縮小。

 

超級電腦用途廣泛,舉凡氣象預測、疫苗研發到太空研究都應用範圍之內,也可模擬核試驗和導彈防禦,並處理應用在 AI 研發作業的大量數據,拜登政府近期對中國祭出的出口管制,便是瞄準應用在超級電腦和 AI等先進技術的晶片。

 

4、超級運算速度

 

美國國安顧問蘇利文 (Jake Sullivan)曾就科技、競爭和國家安源發表演說,他表示,運算技術將是未來 10 年極為重要的發展,包括微電子、量子資訊、AI 等。

量子運算的實驗性質仍濃厚,卻有增強和加快運算的潛力,讓機器能實現光靠現有電腦辦不到的事。量子機器甚至有解碼和規避加密的能力,有朝一日可能顛覆資安技術。包括微軟、Google、英特爾、IBM 等大公司,都投入巨資進行各種量子電腦研究計畫。

 

5、AI 領域影響力

 

即使提高超級運算性能的研究進展停滯不前,中國研究人員仍可仰賴從 14億人口取得的數據,產出更多具有高度影響力的 AI論文。

 

根據 2022年 AI趨勢報告,相較於美國,中國更關注與監控相關的作業,如追蹤、動作識別和物體偵測等。中國政府 2017年發表 AI戰略,宣布投入大量資金發展技術,同時定下目標 2030年成為 AI領域世界領導者的目標,這讓中國學界為之一振。

 

6、晶片先進製程

 

價值 5500億美元的半導體產業是中美科技戰的最前線。南韓指出,中國晶片產量的全球占比在 2000年時僅 2%,到了 2020年則增加到 17%,美國同期占比則自 24%砍半至 12%。

 

另哈佛大學貝爾福科學與國際事務研究中心 (Belfer Center for Science and International Affairs at Harvard University) 報告預估到2030年,中國晶片產量比重將上升至24%,而美國將下滑至10%。

 

這場科技競賽的一項關鍵,在於誰能更快在縮小晶片尺寸方面取得進展。

此前報導指出,中國晶圓代工廠中芯國際成功開發採用 7奈米技術生產的比特幣挖礦晶片,超乎外界預期。

 

7、新創資金的投入

 

繼極紫外光 (EUV) 微影設備之後,美國上月擴大晶片設備出口禁令,管制範圍包含對 3奈米以下的設計軟體工具。美方的行動,促使中國加快腳步扶植本土晶片業的發展。

 

根據《半導體工程》(Semiconductor Engineering) 數據,晶片生產等關鍵領域的中國新創公司,近期籌集資金規模高出美企約 9倍,這對中美兩國來說,都是一場代價高昂的戰爭。

 

■從「晶片之母」的卡脖子戰開刀

 

近幾年,美國本土製造業在國際市場競爭加速下滑,僅半導體設計業仍佔絕對優勢。因此,當美國對大陸晶片業的制裁持續擴大,在IC設計領域當然是毫不留情,自然限制3奈米以下晶片設計EDA軟體出口,此等於讓中國失去推展先進製程的工具。當然,此舉會對大陸晶片業造成影響,但也提供中國EDA產業發展的機會。

 

EDA軟體(電子設計自動化系統)被譽為「晶片之母」。任何IC設計廠商進行晶片設計時都需要透過該系統,而這次遭管制出口的EDA的軟體就是用來開發3奈米以下的GAAFET架構,三星3奈米製程即採用GAA架構,台積電3奈米仍是用FinFET架構,2奈米才會跨進GAA架構,GAA架構擁有低功耗、高效能及面積小等優點。

 

EDA軟體產業歐美廠商壟斷超過7成的市場,此禁令一出將讓大陸晶片業無法順利取得推展先進製程的工具。美國的目的就是阻礙大陸用先進製程去設計和製造晶片,但這種意外形成的壁壘局勢,將為我們,大陸本土EDA企業打開廣闊的市場空間。

 

■大陸科學技術論文數量和品質的排名提升

 

《晶片與科學法案》這項戰略對美國本土晶片製造業發展意義重大,也將加劇美中科技競爭的激烈狀況。為對抗美國在技術上對中國「卡脖子」問題,中國勢必加快建立國產半導體供應鏈做為因應。

 

日經中文網以「大陸正在邁向比肩美國的科技強國」為題發文指出,日本文部科學省日前公布的《科學技術指標》顯示,大陸在有關科學技術論文數量和品質的三大指標上拿到3個冠軍,過去只有美國曾達成這個成績。

 

根據統計,大陸2020年科學技術研發費用來到59兆日元,比2019年增加7.5%,而且在10年內增加約2.5倍,至於美國研發費用方面,則是72兆日元排在世界首位,但大陸正在迎頭趕上,日本則以18兆日圓排名第三。

 

另外從研究人員人數來看,大陸2020年為228萬人居冠,明顯多於排在第2名美國的159萬人(2019年),日本69萬人(2021年)則排在第3名;而在專利申請數方面,日本6.4萬件居冠,美國5.5萬件排名第二,大陸2.7萬件位居第四。

 

報導也指出,大陸在科技領域正在打造不受美國制裁影響的自主經濟結構,而科學技術實力是一大關鍵,分析此次在科學技術論文的數量、質量等3項指標均躍居世界首位,包括宇宙太空站建設等大型科學技術項目,以及展現在基礎科學研究領域的自主成果。值得關注的是,大陸在推動去碳化的重要基礎技術等方面也在取得進展,舉例像是新型鈣鈦礦太陽能電池,在能源轉換效率等性能上,與韓國等競爭世界第一寶座。

 

■中國科研的致命傷—重科學應用、輕基礎研究

 

據《日本經濟新聞》報導,日本文部科學省下屬的研究所8月發佈的有關自然科學研究論文的最新世界排名顯示,中國在有關論文數量和質量的3項指標上,包括引用次數前1%、論文總數與引用次數前10%篇數,全部都躍居全球第一。

 

但日本科學技術振興機構(JST)亞太綜合研究中心副執行長黑木慎一受訪時表示,中國在科學領域研究論文的3項指標獲得「三冠」,顯示中國在研究的質量和數量上均具有世界頂尖水平的實力。不過,以此仍很難明確地斷定中國科研已超越美國等躍居世界第一。

 

黑木強調,論文指標排名第一不意味著中國能迅速在産業競爭力上躍居世界第一,要顯示出真正世界第一,除必須維持科學研究論文首位的寶座,還要能創造與之相稱的科技成果,而關鍵問題在於中國一直存在輕視基礎研究的態度。

按國家區分「基礎、應用、研發」研究領域的投資比例,日本的投入分別約15%、20%和65%;美國等其他國家對基礎研究的投資比例大體為15~20%,而中國僅為約5%,佔比極低。如果走進中國頂尖大學的研究一線,會發現中國積極投資面部識別和自動駕駛等接近實用化的領域。但日本頂尖大學更重視「基礎研究」。

 

黑木說,中國的科學研究一般被認為缺乏重大創新的、劃時代的成果,對基礎研究的態度或許是原因之一。中國政府也充分認識到基礎研究的落後,2015年前後起,積極推動年輕研究人員展開基礎研究,在第14個5年計劃中,提出了將基礎研究的投資比例提高至整體8%以上的目標,中國必須革除輕視基礎科學的態度,才能在産業競爭力上超越美國躍居世界第一。

 

四、「小晶片」技術有望突破美國晶片禁運

 

美國波士頓諮詢集團曾估計,到2021年,一個國家如果要建立完全自給自足的晶片供應鏈,將需要至少1兆美元的前期投資。

這次,美國對中國半導體技術禁令措施,可能會刺激中國晶片製造商嘗試使用創造性的工程解決方案和不受制裁的舊技術來生產先進的晶片。

 

例如中國最大的晶圓代工企業中芯國際(SMIC),即運用上一代的DUV光刻機造出了其他廠家用EUV光刻機才做得出的7nm晶片。不過,這種嘗試在技術上可行,但是無產量會是多少?如何實現商業化產量?這些都是問題。

 

又如,目前半導體製程多年來按著「摩爾定律」的法則逐漸進化,不斷縮小晶體管尺寸,增加晶片內晶體管數目,但在晶片製程工藝不斷發展下,晶體管微細化已逐漸接近物理極限,升級的技術愈加困難,製造成本亦快速飆升。科技界便嘗試其他不同製造高性能晶片的途徑,其中「小晶片」就是極被看好的新技術。

 

這幾年半導體業界出現的晶粒(chiplet)或小晶片的技術,乃使用先進的封裝技術連接功能不同的數個晶片,讓它可以趕上或超越最先進製程晶片的工作效率,並降低製造成本。這種「小晶片」半導體封裝技術前景不僅被業界看好,更重要的是可以繞開晶片製程工藝的極限,對中國來說,更是突破美國晶片技術禁運一條極有希望的捷徑。

 

「小晶片」的概念是不執著將所有的晶體管全部整合在一塊晶片內,而是將多個功能相異的晶片透過先進封裝技術整合在一起,形成一個系統晶片。如此可以不用太頂尖的晶片製程就能完成性能上的要求,能降低製造成本,還能提高晶片的良率。其中技術較困難的是晶片封裝技術,不過相對於10nm以下的尖端晶片製程工藝來說,改進封裝技術是容得得多,近年來這方面也有飛快進展。

 

美國英特爾(Intel)執行長吉爾辛格(Pat Gelsinger)不久前宣佈2.5D和3D晶片塊(tile)設計的最新架構和封裝技術創新,揚言要引領晶片製造的新時代。台積電、高通等半導體企業以及谷歌、微軟等IT巨頭在內的10家企業就小晶片技術展開合作,公開了通用小晶片互聯標準「UCIe」,還成立了以實現標準化和構建生態系統為目標的產業聯盟。

 

日本半導體界亦相當積極,東京工業大學開發模壓樹脂封裝技術與矽基板中介層,而且還結合大阪大學、東北大學與30家企業組成「小晶片整合平台聯盟」,以學術科研與企業界力量共同開發新一代的晶片整合技術。他們認為,日本的優勢在於半導體材料和設備,這些都是發展小晶片技術的重要環節。

 

至於全球最大半導體市場的中國大陸則有另一套想法,目前美國晶片法案對中國實施14nm以下的半導體與其製造設備禁運,小晶片技術可以繞開製程工藝的限制,以14nm以上的半導體設備就能製造出所需要的最尖端、功能最強大的整合式小晶片。

雖然目前先進的晶片封裝技術仍落後於西方國家,但封裝技術的差距比起晶片製程工藝差距要小得很多,較容易追趕得上,而且沒有製造設備被「卡脖子」的問題。因此大陸業界認為,小晶片的技術路線不必再受限於14nm的製程限制,不只能夠藉此突破美方的晶片技術封鎖,更有機會在半導體產業進行彎道超車。

 

英國的產業諮詢公司Omdia表示,到2024年小晶片的市場規模將達到58億美元,2035年則超過570億美元,亦即10年間可望成長近10倍。

隨著先進晶片製程工藝造成的技術障礙愈來困難,製造快速成本攀升,小晶片的技術路線不只能逐漸取代市場上採用先進製程的消費性半導體,長此以往,更能應對未來需要大量運算能力的人工智慧、超級電腦等產業的需求,市場前景無限廣闊。

因此,這個「小晶片」的晶片製造模式,將從傳統晶圓代工模式轉變成「系統晶圓代工」模式。屆時半導體業的跨界整合將成為競爭的主戰場,除了晶圓代工之外,封裝技術與軟體也會是市場競爭不可或缺的整合力量,這種製造模式,對半導體產業發展來說,也格外地有利。

 

五、「第三代半導體」也是大陸晶片業突圍的領域

 

美國《晶片與科學法案》禁止未經允許的公民、組織或企業協助(參與)大陸晶片業研發及生產半導體,範圍鎖定廣泛運用先進製程的軍事、超級電腦及人工智慧領域,無疑是想切斷大陸提升晶片與高科技實力的機會。

 

在美國的《晶片與科學法案》措施下,大陸與技術領先者的差距會越來越大,但大陸龐大的半導體消費市場與成熟製程技術,將為大陸提供發展「自主技術」空間。其中,大陸可能會透過積極發展成熟製程與「第三代半導體」,做為迴避美國制裁的方式。

 

目前中國大陸的「電動車消費市場」已是全球最大,銷售量超過美日兩國總和。

所以大陸發展電動車產業具備龐大的本國消費市場支撐優勢。另從車用大型電池組來看,目前大陸的產量佔全球半數以上,其中以寧德時代為最主要的車用電池生產商,擁有大陸近半數的市佔率,且技術上已走在全球前端。

 

而電動車工業最大的特色,除了電池工業支柱外,還有在智能提升及自駕趨勢下,每台車上會增加大量的半導體與感測元件,為的就是讓汽車變的更人性、更聰明,電動車儼然就像一台可移動的超大型電腦。

 

因此,電動車半導體元件主要為微控制晶片 (MCU)、功率半導體 (IGBT、MOSFET、二極體)、磊晶…等,這些必備的電子元件,伴隨電動車快速成長,未來具很大的需求想像空間。此半導體需求商機,正可為中國大陸發展「第三代半導體」,提供市場支撐優勢。

 

在此所稱的「第三代半導體」,指的則是使用氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)這兩種材料的新技術。

此外,目前第三代半導體有3個主要應用市場:

第一個市場,是將氮化鎵材料用來製作5G、高頻通訊的晶片(簡稱 RF GaN)。

第二個市場,是用氮化鎵製造電源轉換晶片(簡稱 Power GaN),這是目前最熱門的領域,用在生產處理數百伏特的電壓轉換,可以做到又小又省電。

野村證券認為未來 2~3 年,第三代半導體將重塑全球消費性電源市場,取代用矽製作的 IGBT電源管理晶片。因為,第三代半導體能源轉換效率能達到95%以上。

第三個市場,是碳化矽電源轉換晶片(SiC)。碳化矽材料的特殊之處在於,如果要轉換接近1,000伏特以上的高電壓,就只有碳化矽能做到這樣的要求;換句話說,如果要用在高鐵,用在轉換風力發電,或是推動大型的電動船、電動車,用碳化矽都能做得更有效率。

 

此外,未來5G技術將結合車聯網的機能,而汽車本身的電子系統亦需在高溫、高壓環境進行快速切換的動作,因此電源功率元件如何滿足車用環境的需求也成為另一重要課題。例如,特斯拉Model 3首次採用意法半導體製造的碳化矽電源轉換晶片,為電動車轉換電能。

 

而電動車取代汽油車已是不可逆的事實,電動車又會用上大量的電子相關元件,其核心產業就是半導體晶片!而汽車半導體晶片主要為微控制晶片(MCU)、金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)、絕緣閘雙極型電晶體(IGBT)、二極體、磊晶等。因此,第三代半導體的技術發展,攸關電動車省電能力,而目前中國大陸的「電動車消費市場」已是全球最大;未來,電動車要如何省電,則是由第三代半導體技術決定。

 

未來碳化矽功率金氧半場效電晶體可以應用到5G、再生能源系統、電動車和國防工業領域,達到節能減碳的目標,並促進第三代半導體產業發展,推動國防產業升級,催生新的產業和經濟模式。所以,碳化矽半導體將成為各國發展半導體產業的關鍵技術之一。

 

第三代半導體則以氮化鎵 (GaN)、碳化矽 (SiC) 等具備高速、抗高溫高壓的化合物為主,適合應用在高速傳輸、太空站、人造衛星、雷達、路由器、物聯網 IoT、車聯網等,甚至是軍工、國防應用上,屬於國家戰略物資的一環。故第三代半導體產業發展,應用層面將涵蓋人類生活、太空、雷達、軍工、國防等,屬於國家戰略物資之一。

 

中國大陸在「十四五計畫」中提高 SiC位階,列入第三代「半導體產業」。

目前大陸 SiC全球市占率尚低,但 SiC設備已有自製自研能量,由於內需龐大,大陸急起直追,拚命投資第三代半導體,未來潛力不容小覷。

例如華為投資碳化矽磊晶公司瀚天天成;長期生產LED 的三安光電,也因為使用的材料相近,發展受到矚目。三安光電的化合物半導體產能目前懂為1,500片,已是個起步。

 

總之,十年磨一劍,「第三代半導體」是未來各國搶占電動車、新能源,甚至國防、太空優勢,不能忽視的關鍵技術,誰能在這個領域領先,誰就能在下個十年勝出,有機會成為下一座「護國神山」。

 

六、中美半導體纏鬥、雙方陷入「囚犯困境」!

 

美國拜登政府於2022年 8 /9日正式簽署《晶片與科學法案》,訂於 2023年元月執行。晶片法案的真正意義是「激勵創造晶片製造的科學研究」。

 

為何晶片如此重要?因為未來人類邁向更文明的電動或自駕汽車、智慧型家電、5G 與機器科技人、AI 高速運算等多十分仰賴;而且更涉及美國五角大廈所研發的超級精密武器、無人機、衛星通訊、作戰用的低軌衛星、匿蹤戰鬥機、及洲際導彈等等,所以茲事體大。

 

所以這個《晶片與科學法案》旨在開展全球半導體 DRAM與 FLASH、及晶片製造業乃至 IC 設計業的國際競爭,與引領各國產業鏈的變遷。

 

而這個以「國家安全」無限上綱的要求,顯然中美兩國科技攻防、已走入「賽局理論」的「囚犯困境」中。因中國半導體業者,不會因為被白宮禁止、制裁而束手無策、坐以待斃。大陸中芯、或長江儲存等科技公司,被逼上梁山後,會自尋生路;例如中芯已可自製7 奈米製程,跨越了美國限令;例如長江儲存也在 3D NAND 的運用上繞道而行,降低層次,反而會造成價格競爭。

 

當中美兩國走入「賽局理論」的「囚犯困境」中,雙方對決最後會造成何種結局?是真的美國會「做掉」中國的半導體產業?還是美國企業本身也需付出代價?

看來美國企業也需付出不小代價;但對美國來說,中美「晶片殲滅戰」雖是「七傷拳」,但如果這個代價可使中國半導體產業發展停滯十年,那美國的如意算盤是值得的?

 

但由於電動車是繼智慧型裝置之後,下一個新一世代產品革命主要產品,其使用到的晶片更複雜;所有天上飛的、地上走的、與海中航行的行動工具,多需要半導體高階製程、及複雜的晶片設計才可完成自動化;因此如果中國電動車產業,所需取得的半導體關鍵技術,長期被美國禁止、則還是會在新產業產品革命中、落人於後,所以中國半導體產業正力圖突圍。

 

例如,美國此次也對全球唯一有能力,製造半導體關鍵零組件「曝光機」的荷蘭「艾斯摩爾 (AMSL)」公司,發出對中國輸出的禁令。AMSL 是全球唯一製造與銷售,EUV 與高階 DUV(深度紫外光線微影設備)「曝光機」公司,DUV 在功能上是效能較高的機器,而ASML 由於受美國干預、因此一直未交付從在 2019 年就已經下定的高階、7 奈米以下的「曝光機」給中國。因只有 EUV 可應付 7 奈米製程以下的需求,DUV 只能夠用於成熟製程。

但近期,中芯使用 3到 4層的 DUV操作,也可替代一層 EUV 的操作。看起來中國半導體產業,目前正以過去拿到的中低階技術,做為技術研發基礎、嘗試突破當前困境;用愚公移山方式慢速前進。

 

雖然遭到禁運的中國仍然可以發展其半導體產業,但必須自行研發技術與製造的設備,但這將使中國半導體產業發展進程落後很多年。

 

七、跋尾—中美「晶片殲滅戰」將轉化為「綜合國力」之競爭!

 

由俄烏戰爭的經驗可得知,現代的戰爭本質已改變—–

俄烏戰爭的第一天,可能與軍事有關。

俄烏戰爭的第十天,已經是科技的 PK。

俄烏戰爭發展到今天,這已經是「「綜合國力」」的較量,是在科技、經濟、金融、文明、法律……的全方位較量。

 

時代變了,現代的戰爭本質不能再沉迷於冷兵器時代的「亮劍」。

大國之間的博弈,軍事只是其中一個因素,更重要的是「綜合國力」的競爭。

 

例如俄烏戰爭中,每一次無人機的出擊,每一枚超音速巡航飛彈的發射,後面是晶片製造、電子作業系統、電腦超算、衛星導航、雷達跟蹤、光學感應、軟體集成等多方面技術的 PK。只有從底層「綜合國力」來理性探討,才看得到真相。

 

1、看不到的「基礎設施」力量

 

俄烏戰爭剛一開打,有三件基礎設施已卡住俄羅斯的脖子:

 

第一件事:網路系統
甲骨文 Oracle用三個小時「屏蔽」了俄羅斯的所有用戶,甲骨文擁有全球最大的關係型資料庫,占據俄市場半壁江山。

 

第二件事:金融結算系統
全球統一金融結算系統 SWIFT系統將俄羅斯許多銀行從中移除,在金融上切斷俄羅斯對外貿易。

 

第三件事:通訊系統
SpaceX創辦人馬斯克宣稱啟動「星鏈」在烏克蘭的服務系統,烏克蘭可以通過「星鏈」衛星連接上因軍事行動而被中斷的網際網路。

 

這三件事有一個共同的特點,都是「基礎設施」力量展示。

資料庫是網際網路技術的「基礎設施」,SWIFT是金融系統的「基礎設施」,星鏈是通信系統的「基礎設施」。在和平發展的時代,這些基礎設施被埋藏在「全球化」表象下,被包裹在城市的繁華夜色裡。但一旦出現戰爭情況:「基礎設施」的力量即展露無遺。從俄烏戰爭,我們可看到美國利用「基礎設施」的力量,如何影響戰爭的走向?

 

2、晶片製造:「尖端科技」的對抗

 

先從「尖端科技」的對抗談起,以最熱門的晶片製造為例。

 

沒有晶片,現代武器基本就是一堆廢鐵。擁有越高精密晶片的武器,越是在戰爭中處於金字塔尖。

例如美國的「彈簧刀300」,電子系統集成化程度很高,使用了精密晶片和電容原件。

又如俄羅斯的匕首高超音速飛彈(Kh-47M2 Kinzhal),同樣也密布微電子電路及超算晶片操控。

 

如果最後失去了精尖晶片的支持,戰爭怎麼打下去?

誰是晶片技術之「尖端科技」的製造企業,例如台積電、三星、英特爾、美光、高通、輝達、超微等。

若沒有高能晶片補給,武器不過是移動的標靶,俄羅斯晶片一旦消耗太多,沒有持續的支撐,戰爭越打到後面越被動。所以晶片技術,一定是需要努力開拓的。

 

3、作業系統:現代科技的軟體基石

 

除了硬體基石,軟體基石同樣重要。而軟體中最核心的技術,那就是作業系統。每一個硬體後面,總有軟體代碼在後面支撐。沒有優秀的軟體系統,再好的硬體也沒有靈魂。

 

以手機作業系統為例。美國的 Android與蘋果的 IOS系統,構成了現代手機應用平臺的兩大基石,它連接著整個代碼和數據終端。

優秀的作業系統可以讓軟體流暢的運行,流暢運行的軟體可以讓硬體多出一秒的打擊時間,這一秒的時間可能就決定某次戰術的成敗。

 

為什麼俄羅斯戰士的手機,在戰場上成為被對手定位的可怕機器,而烏克蘭的手機則是一個特別好用的分布式通信終端?這後面就是作業系統和各種軟體在共同作用,俄羅斯有些高級將領被清除,正是因為有美國 AI軟體和計算終端協作完成。俄羅斯作業系統的落後,軟體體系的缺乏,可謂錐心之痛。

 

當然,俄羅斯也有自己的極光 AuroraOS行動作業系統。可誰又知道 AuroraOS行動作業系統基於開源(自由軟體)Sailfish OS。Sailfish OS是哪裡的?它是俄羅斯此次的對手之一的芬蘭 Jolla公司開發,真是悲哀且荒謬。因為這裡涉及到另一個「基礎設施」力量——開源體系。

 

4、開源體系:構建統一的技術價值觀

 

毫無疑問,美國又是「開源世界」的中心。開源軟體最重要的發起者並不是美國人,但這些組織通常會將基金會設在美國,他們仍然將美國視為開源世界的「堡壘」。為什麼呢?

❶美國在二戰後是世界上最強大的國家,將數據放在這裡是相對安全的;

❷美國政府必須在法律允許的範圍內行動,不能肆無忌憚、為所欲為;

❸美國有許多強大的技術公司,這有利於開源技術的實現;

❹美國有數量龐大的優秀程式設計師,這些人本身就是「開源運動」的參與者;

 

而「開源體系」難以戰勝,因為「開源」是一個世界系統,大部分人都是建設者,這才是美國的強大之處。

俄羅斯有非常厲害的程式設計師,但沒有一次真正的「開源運動」,沒有一個強大的「開源項目」,沒有一個全球或者企業自己合作的「開源系統」。

 

開源體系設定了一個世界觀,全世界的技術員都自動來這裡創造屬於自己的世界。不僅僅是技術的力量,它還在心靈上統一了技術員的價值觀。它像巨人播下的種子,發芽開花結果,最後長成參天大樹,嚴絲合縫,易守難攻。而這背後,又是現代文明之根的力量。

 

5、文明之根:現代文明積累的百年底蘊

 

為什麼美國的開源項目能夠一呼百應,這也不完全是技術實力。還有很大一部分原因在於,這是近代以來國際對英文文明繼承權的認可。這是文明積累的根力量,旦夕之間難以改變。

 

客觀回溯一下現代史上的技術之「基礎設施」,大部分都由歐美科學家接力而成,這些天才專注於科學世界,以無與倫比的智慧,將人類文明拓展到一個新高度。

 

歐洲數代積累,才催生了牛頓、愛因斯坦這樣的巨匠。近代科學的百年沉澱,才有了黃金時代的量子力學群星。

 

牛頓定律、電磁力學、薛丁格方程、香農定律、馮諾依曼架構這些「基礎架構」,永遠是人類文明的前進之源。

 

技術誕生了文明,而世界性的開源社區,基本上都由英文在主導;至少目前其它語言還做不到,這是現代文明的百年積累。

 

其實也不僅僅只是技術文明,包括人文哲學同樣如此。康德、黑格爾、馬克思、尼采、伏爾泰、盧梭、孟德斯鳩、洛克、培根、斯賓塞等等。

雖然俄羅斯也出現了一些偉大人物,但俄語在現代已經被邊緣化了。

 

6、認知之根:主宰全球的道德價值觀

 

現代文明之根,還延伸出了以下更多的根。因為有了文明之根,所以就能站在道德的高點上,主宰是非對錯的道德價值觀。

 

在此認知作戰上,俄羅斯幾乎毫無還手之力:

沒有話語權,世界很難聽到俄羅斯發出的聲音。

沒有強勢媒體,歐美幾乎看不到俄羅斯有說得上話的公共媒體。

沒有社交性,除了中文網際網路,世界性的網際網路只聽到澤連斯基的演講。

布查事件就是一個非常明顯的案例,真相尚未調查,全世界已經群情洶湧問責俄羅斯。在認知層面的作戰,俄羅斯很弱。這樣的「認知作戰」實在太可怕,今天美國能夠握有話語權,與此息息相關。

 

這一點也值得我們思考,中國在國際上有發聲的渠道嗎?例如CNN和 BBC,可在關鍵時刻引領世界媒體聲音、風向?

 

7、經濟之根:SWIFT金融「基礎設施」的威力

 

沒有經濟的支撐,別說打仗,吃飽肚子都難。先不說全球經濟貿易的供應鏈,它的「基礎設施」還是掌握在歐美世界。例如SWIFT支付體系,便掌控在美國手中。

 

1977年 SWIFT發布,當年全世界就擁有會員國150多個,會員銀行5000多家,每日處理 SWIFT電訊300萬筆以上。而現在舀日處理的金融電訊達到3000多萬條,資金以兆美元計算。

 

今天,幾乎所有金融機構都接入SWIFT平臺,SWIFT為兩百多個國家和地區的11000多家銀行、證券機構、企業與客戶提供交易服務。而現在運行在 SWIFT平臺上的主要貨幣是美元,美國可以通過截獲交易資金來控制 SWIFT交易。

 

所以,當俄烏戰爭爆發時,美國一聲令下,就可以將俄羅斯銀行踢出 SWIFT支付體系。當美國扔下這枚金融核彈對俄羅斯進行經濟制裁時,俄羅斯儼然成為了一座金融孤島。因為支付體系被切斷,便再無法與世界進行貿易。

 

所以這也能夠理解,全世界其他國家的經濟命脈也都掌控在美國手中,所以沒有哪個國家敢得罪美國,以免成為金融孤島?

 

目前如果想要擺脫美國經濟的控制,在 SWIFT系統之外,必須重構一張支付網絡,這是很大的金融工程,也是很大的難題。數位人民幣是正在嚐試的一條路,但國際化是一條漫漫長路。

 

結語:

 

現代戰爭的本質背後是什麼:

全球任何一臺第五代戰機,都有數十萬行代碼;

任何一枚制導飛彈,最終都由各種軟體在控制;

每一枚 IC晶片背後,是全球頂尖人才的智慧積累⋯⋯⋯⋯

透過俄烏戰爭,我們可看到現代戰爭的質變,最終還是要回歸到「綜合國力」之競爭上。

 

中美兩國漸趨競爭對立,雙方已從貿易戰打到科技戰,如今晶片戰爭全面開打,長期如何發展還很難預料,但肯定的是,中美全面競爭只會愈來愈激烈,如同走入「修昔底德陷阱」。

 

美國政府10月初公布新一輪晶片禁令,對中國晶片業造成衝擊,根據英國《金融時報》報導,北京政府為應對以美國為首的拑制,已經號召國內科技巨頭阿里巴巴、騰訊和中科院等研究單位,成立北京開源晶片研究院,共同參與半導體晶片設計工作,RISC-V架構將成為中國晶片企業突圍的出口,藉此降低對英國晶片業者安謀(ARM)的依賴。

 

事實上,我們祈求「和平」,但「和平」不會無償的降臨,「和平」的背後需要強大的「綜合國力」做靠山,才能確保「和平」如期而至。

 

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