日经:半导体供应链自主可控,一个几乎不可能任务

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-07-27 08:33

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icban k)编译自日经, 谢。

在6月中旬,亚洲酷热的夏季,台积电紧急派出团队前往日本参观部分公司设备供应商,它想知道,为什么这些公司说他们不能按时交付重要机器?台积电是全球最大的芯片制造商,其供应商一直竭尽全力满足这家强大公司的要求,但第一次,他们向芯片制造巨头发送了道歉信息。


情况非常敏感。台积电正处于 1000 亿美元的扩张之中,这是在去年关键芯片严重短缺之后受到政府推动的。但这家中国台湾巨头发现自己的供应链受到瓶颈的困扰,影响的范围包括从精确到可以将激光束聚焦在月球上的乒乓球上的镜头,到看似普通的阀门和管子。


继该公司供应链管理负责人 JK Lin 和一个工作组于 3 月前往美国进行类似的访问之后,6 月的任务开始了,以调查为什么台积电在美国订购的芯片制造机器需要长达 18 个月才能出现.


消息人士告诉日经亚洲,在日本,包括该国最大的芯片制造设备制造商东京电子和 Screen Semiconductor Solutions 在内的供应商告诉台积电,在承诺的基础上,他们甚至可能会进一步延长交货时间。


Screen - 世界上为数不多的制造对芯片制造厂至关重要的化学清洗机的公司之一 - 列出了一系列难以从自己的供应链中获取的晦涩组件,包括由特殊塑料制成的阀门、管道、泵和容器——它们全都供不应求。


这些问题从供应商到供应商层层递延,从而使得全球芯片短缺问题变得难以解决,而芯片、心脏和大脑为从个人电脑和智能手机到汽车的电子设备提供动力。


这些困难凸显了一系列令人不快的事实,不仅对台积电及其竞争对手和供应商而言,对世界各地的政策制定者也是如此。在美中贸易紧张局势和大流行中断的情况下,中国、美国、欧洲和其他地方的政府已决定“在岸”实现半导体制造。所谓的供应链弹性已成为政策的核心目标,但这种弹性是一个神话。


这些新的国家努力得到了巨额补贴和国家支持的投资的支持。预计美国参议院将在 7 月底就 520 亿美元的 CHIPS 法案进行投票(最新结果是参议院投票通过)。日本政府将斥资 4760 亿日元(35 亿美元)支持台积电首次在那里建厂。


问题是这些努力只触及半导体供应链的可见端。在芯片生产的背后,是一个供应设备和其他物品的网络,其中包括数百种原材料、化学品、易损件、气体和金属,没有它们,令人难以置信的精确芯片制造过程就无法运转。中国正在引导总计 1.5 万亿元人民币(2220 亿美元)的公共和私人投资,以在其境内复制芯片供应链,但迄今为止取得的成果并不大。


根据日经亚洲对两打以上行业高管的调查和采访,虽然全球化的半导体行业过去可以在数十个国家顺利运行,但在单个国家或地区内复制这种架构的努力已经暴露并加剧了供应链的瓶颈,并在过去五个月影响了美国、欧盟、中国台湾和日本等主要芯片经济体的数据。与此同时,人们对该政策的长期智慧存在疑问,并且担心如果这些工厂能够启动并运行,这些工厂中的许多最终可能会闲置。


波士顿咨询集团半导体和材料负责人 JT Hsu 表示,即使是实现 70% 到 80% 的自力更生的目标“也非常艰难。......对于任何国家或地区来说,要获得所有半导体供应链都可能极具挑战性覆盖。”


德国化工集团巴斯夫半导体和电子材料全球业务管理负责人 Jens Liebermann 表示:“制造芯片的不仅是(工厂),还有所有的东西。” “所有的材料、化学品、气体及其原材料。都必须在那里。归根结底,来源在哪里,原材料在哪里,制造在哪里,谁可以处理物流?”


曾创办台积电并曾任台积电主席的半导体行业元老张忠谋在之前对美国的讲话中更是直言不讳


:“如果你想在美国重建一个完整的半导体供应链,你不会发现这是一项可能的任务,”他在去年的一个行业论坛上表示。“即使你花费了数千亿美元,你仍然会发现供应链是不完整的,你会发现它的成本非常高,比你现在拥有的成本要高得多。”


上游瓶颈


尽管听起来可能微不足道,但这些阀门、管道、管道、泵和容器是复杂性的案例研究——正在让高管们抓狂。


“我不是在开玩笑!我们仍然收到一年多前订购的阀门和管子,”一位台积电台湾供应商的高管告诉日经新闻。“打开盒子的时候,我们常常会很震惊。100件订单中,盒子里可能只有10件。”



由于只有少数专业供应商能够满足防污染标准并处理具有潜在军事用途所需的制造项目繁文缛节,因此提高产能并非易事,尤其是在原材料供应有限的情况下.


这些物品由称为含氟聚合物的特殊塑料制成,对于处理在所有芯片制造设施和芯片制造机器中流动的腐蚀性化学品和超纯水必不可少,这些地方的标准还在不断提高。


例如,用于构建最新 iPhone 和 MacBook 处理器的最先进芯片现在处于 5 纳米级别。纳米尺寸是指芯片上晶体管之间的线宽。一纳米大约是一张纸或人类头发厚度的 1/100,000。纳米尺寸越小,芯片就越尖端和强大,因此开发和生产更具挑战性。反过来,芯片制造商需要在芯片上放置数十亿个晶体管。对缺陷或微污染的容忍度极低。


“新冠病毒的大小约为 100 纳米,”德国默克电子公司集成供应链转型高级副总裁凯文·戈尔曼 (Kevin Gorman) 告诉日经新闻,“然后你可以看到芯片制造工作的精细程度以及为什么所有材料很关键。”


对于用于处理化学品的半导体级阀门和管道,至关重要的是它们不会成为污染源。根据日经亚洲分析,全球只有少数供应商有能力达到严格的要求。日本CKD、Advance Electric、美国Entegris是合格的阀门供应商;日本 Iwaki 是化学品输送泵的主要供应商;业内消息人士称,奥地利的 Agru 和瑞士的 Georg Fischer 是芯片厂关键管道系统的重要供应商。


瓦森纳协定是一项由 40 多个国家签署的多国协议,旨在避免将此类组件运送到某些国家用于军事用途,这增加了行业的准入门槛,为新进入者提供了另一个障碍。


沿着供应链上游,关于制造这些组件的含氟聚合物会出现更多的瓶颈。其中一种称为 PFA 的材料仅由美国的 Chemours 和日本的 Daikin Industries 提供。它需要广泛的加工知识,并且迄今都没有竞争对手出现。


其他主要的氟聚合物材料制造商包括比利时的Solvay、美国的 3M、印度的 Gujarat Fluorochemicals 和俄罗斯的 HaloPolymer。但并非所有常桑拿都有资格制造半导体级材料,它们必须为科技行业以外的广泛其他行业提供产品。但由于乌克兰战争造成的干扰和制裁,来自俄罗斯的消息来源已经消失。


台积电领先的洁净室制造商United Integrated Services的首席业务发展官 Hsu Chun-yuan 告诉日经新闻:“含氟聚合物的来源受到限制,但在电动汽车热潮推动下,芯片和电池行业的需求都在增加。”


还有更上游的吗?市场研究公司 IndexBox 的数据显示,含氟聚合物由萤石(fluorspar)加工而成,二中国控制着全球近 60% 的产量。长期以来,中国一直将萤石确定为战略资源,并且在 1990 年代后期,由于其对农业、电子和制药、航空、航天和国防等行业的重要性,因此限制了出口。这种矿物通常被标记为“半稀土”。



根据IndexBox的数据,墨西哥是第二大萤石生产国,去年市场份额约为10.8%,其次是蒙古和南非。在欧洲,保加利亚和西班牙共同控制着全球市场约 5% 的份额。在白宫于 2021 年发表的一份供应链审查文件中,美国标记了关键材料受外国支配的风险,并将萤石确定为“短缺战略和关键材料”。它表示,增加关键矿物的来源、加强库存以及提高北美制造、加工和回收能力,可能会减少“未来全球危机”期间的中断。


在处理诸如用于光刻的氖和用于蚀刻的氟气 C4F6 等气体时也会出现类似的问题。两者都将乌克兰或俄罗斯视为主要供应来源,而这些供应已因战争而中断。运输它们的设备也非常专业。


日经亚洲供应链调查显示,只有少数几家公司——包括卢森堡的 Rotarex 和日本的 BBB Neriki Valve 和 Hamai Industries——有资格为半导体行业使用的气瓶提供超高纯度阀门。Rotarex 控制着近 80% 的市场,并且只在卢森堡生产这些特定产品。


这些阀门由不锈钢和其他合金制成,必须经受广泛的验证过程,并且由于存在泄漏和爆炸的危险,因此需要获得政府认证。一些行业高管告诉日经新闻,新进入者需要“10 到 20 年”才能达到不同政府机构的认证标准和测试。


贸易紧张局势、流行病和战争


2019 年,美国前总统唐纳德特朗普政府以国家安全为由对中国科技冠军华为技术公司进行打压,并阻止其使用美国技术,尤其是芯片,因此在美中科技战争中出现了要求芯片供应链恢复弹性的呼声。此举激起了中国在全国范围内跨行业的积极运动,以减少对美国的依赖并建立安全、可自我控制的供应链。


自给自足运动在 2020 年底演变成一场全球运动,因为前所未有的芯片短缺阻碍了汽车生产并损害了广泛的行业,抑制了全球经济增长并威胁到就业。美国商务部表示,到 2021 年,短缺导致美国国内生产总值 (GDP) 损失约 2400 亿美元。仅汽车行业的汽车产量就比前一年减少了 770 万辆。


乌克兰战争进一步放大了对供应链安全的需求。战争推高了许多芯片相关供应商所需的能源、金属、化学品和关键气体的价格。这也增加了紧迫感。


对于大多数主要经济体来说,芯片对于构建从计算机和数据中心到电器和汽车的一切事物都是必不可少的。它们是争夺太空、科学、人工智能和电动汽车霸权的核心,对未来的军事和国防装备至关重要。美国商务部在最近的一份报告中指出,先进芯片是一系列关键国家安全能力不可或缺的一部分,“包括美国向乌克兰提供的用于防御普京入侵的标枪反坦克导弹等尖端武器系统”。


迄今为止,各国政府已承诺投入超过 1000 亿美元用于补贴本地芯片供应链的建设。除美国《芯片法案》外,欧盟还通过了 450 亿欧元(460 亿美元)的《欧洲芯片法案》,日本预算了 6000 亿日元(44.2 亿美元),印度为半导体和其他科技行业设立了 300 亿美元的资助计划。



从美国英特尔、美光和德州仪器到中国台湾台积电和韩国的三星电子等主要芯片制造商已分别宣布投资超过 6500 亿美元。其中包括几个在他们的基地之外的地方。台积电在美国和日本建设,英特尔计划在欧洲和东南亚扩张,三星在美国有建设计划。据 SEMI 估计,从 2020 年到 2024 年,全球将有大约 91 家新的芯片工厂投产。


今年早些时候颁布《欧洲芯片法案》时,欧盟委员会主席乌尔苏拉·冯德莱恩承认,“没有一个国家——甚至没有一个大陆——可以完全自给自足。” 希望的是,不能带到岸上的供应链部分至少会通过友好国家实现。


“欧洲将始终致力于保持全球市场的开放并保持它们之间的联系。这符合世界的利益;这也符合我们自己的利益,”她说。“欧洲将与志同道合的伙伴建立芯片合作伙伴关系,例如美国或日本。这关乎平衡的相互依存关系,关乎可靠性。”


美国财政部长珍妮特·耶伦(Janet Yellen)将“friendshoring”作为一种妥协的概念。“我们不能允许任何国家或地区利用其在关键原材料、技术或产品方面的市场地位来扰乱我们的经济或行使不必要的地缘政治影响力,”她在 4 月表示。“让我们在对美国工人更有利的条件下,建立和深化经济一体化及其带来的效率。让我们与我们知道我们可以依靠的国家合作。”



俄罗斯从西方的青睐中跌落表明,联盟会随着时间的推移而发生变化,甚至在表面上致力于自由贸易的国家之间也会出现争吵。


在 2019 年东京-首尔贸易战期间,日本限制了光刻胶(一种由日本供应商主导的关键芯片制造化学品)向韩国的出口。


BCG 的一项评估表明,半导体供应链中的设计工具、制造、包装、材料和设备至少存在 50 个瓶颈。这些点被定义为特定项目的 65% 或更多集中在单个国家或地区的区域。


它发现,美国主导着芯片设计工具和至少 23 种基本设备。日本在包括晶圆和光刻胶在内的关键材料的生产和关键配方方面处于领先地位。欧洲是工业气体的领导者。


荷兰 ASML 独家制造的极紫外 (EUV) 光刻机则提供了一个很好的例子,说明在芯片供应链中切换组件是多么困难。有时只是不可能找到替代品。


EUV机器在7纳米及以下尖端芯片的生产中是必不可少的,它有助于将复杂的集成电路图案投射到微尺度上。生产延迟阻碍了增加新产能的能力,延长了当前的芯片紧缩期,并阻碍了更多尖端芯片的引入。


知情人士告诉日经新闻,由于包括光学镜和镜头在内的重要部件受到限制,ASML 已将几款设备的等待时间延长至两年。一位公司发言人承认存在一些延误,并表示该行业的限制“非常多样化,并且跨越了多层供应商”。


在机器的真空室内制造 EUV 光极具挑战性,德国通快公司提供强大的激光源,另一家德国合作伙伴光学专家蔡司集团提供反射和引导光线的镜子系统。


由于即使是最小的不规则也会导致像差,蔡司吹嘘其产品是世界上“最精确”的镜子。“如果其中一个 EUV 反射镜将激光束重定向并瞄准月球,它将能够击中月球表面的乒乓球,”该公司的首席执行官 Andreas Pecher 告诉日经新闻,蔡司和 ASML 已经合作了近 30 年。


几位高管告诉日经新闻,即使 ASML 想要加强自己的供应链弹性并寻找其他光学合作伙伴,也需要至少 5 到 10 年的共同开发工作才能获得初步成果。


“实际上,在未来的许多年里,它几乎是不可替代的,”日经新闻从一家日本镜头制造商的一位高管那里听到。


几乎没有一个芯片制造过程不需要深度专业化,也没有一个供应链可以简单快速地复制。


芯片工厂使用的化学品和溶剂需要达到所谓的万亿分之一 (PPT) 级别——一个粒子到 1 万亿滴。在尖端芯片生产方面,气体需要达到高达 99.9999% 的纯度——即所谓的 6N。芯片材料分销商华利工业的一位高管告诉日经新闻,对于硅晶圆,制造芯片的基本基板材料都需要纯度为 9N,即 99.9999999%。


“如果你想要一个有弹性的芯片供应链,你不仅需要芯片厂,还需要一整套来自关键化学品和精密零部件的供应商,”日本大金的一位高管表示。“建造半导体工厂需要数年时间,但鉴于广泛的环境评估和处理化学品的法规,建造化工厂将需要更长的时间。”


向岸外包的漫漫长路


中国的努力表明,建设芯片供应链的实际困难不是投入数十亿美元就能克服的。早在 2014 年,中国就以 1387 亿元人民币(207 亿美元)启动了中国集成电路产业投资基金一期,这就是所谓的“大基金”。到了2019年,他们又将其新增至2040亿元。第一笔国家种子基金带动民营和地方政府投资超过5000亿元;二期基金有望再鼓励1万亿元。


IC Insights 的数据显示,中国确实增加了本地芯片产量——到 2021 年,其国内需求的比例从十年前的 12.7% 增加到 16.7%。


让许多国家创建新的陆上芯片供应链的数学含义是,容量将远远大于整个世界的实际需求。


该行业表示,这些通常是非经济投资计划,在许多情况下,只有在获得大量补贴的情况下才会建造工厂。随着消费者在电子产品上的支出明显放缓以及经济衰退的传言不绝于耳,至少在短期内,实际芯片需求的前景突然变得不确定。


默克电子的戈尔曼承认当地工厂能否达到经济规模的问题,但表示如果其主要客户能够共同承担风险,本地化仍然是有意义的。


“保持供应线短对我们的环境也更好,”他告诉日经新闻。“我们的客户......将更喜欢本地供应,而不是必须跨越国际边界的供应。”


巴斯夫的 Liebermann 告诉日经新闻,建立在岸芯片供应链是一个非常大规模和长期的旅程。这将花费大量时间和大量成本,只有在这些新工厂的利用率满足需求并且需求足够高的情况下,成本才合理。”


大多数行业高管认为,无论当前的经济环境如何,随着日常用品变得更加互联和复杂,以及汽车走向电动化并最终实现自动驾驶,芯片需求的长期增长将被锁定。2021 年收入接近 6000 亿美元的半导体行业被广泛预测到 2030 年将达到 1 万亿美元。


Entegris 首席执行官 Bertrand Loy 告诉日经新闻:“如果我们真的相信该行业将达到 1 万亿美元......我们应该能够对制造业进行一定程度的区域化并拥有适当的杠杆作用。” “但我们将无法在任何地方进行制造并获得适当的影响力。我们正在一些国家、一些产品上进行投资,但不是在所有国家都投资所有产品,因为我们负担不起[这样做]。”


ASML 的发言人说,区域投资“如果与全球生态系统相连,就可以共存”。“区隔化会导致次优化,从而导致依赖这种创新的消费者、公司和政府的成本更高、创新速度更慢。”


“不再是自由贸易的时代”


中国台湾芯片制造化学品供应商三富化学的总裁 Simon HH Wu 认为,地缘政治冲突和贸易壁垒在全球化之上盛行,芯片产业就是在全球化的基础上建立起来的。“这不再是一个自由贸易的时代,”他告诉日经新闻,并警告说政策制定者和行业不应该对未来的困难抱有幻想。


“任何控制某些自然资源或关键技术的国家都希望保护和利用这些资源以获得经济和政治利益,”吴说。“公司可以做的是寻找盟友和合作伙伴,以减轻潜在的干扰。


“总有一些东西你需要从另一个地方、国家甚至中国大陆进口和运输。如果你没有磷酸盐岩,你如何生产芯片制造磷酸?如果你没有萤石,你如何生产含氟聚合物?在归根结底,你不能把所有的地雷和自然资源搬走……隔壁。”


BCG 半导体和材料主管 JT Hsu 表示,芯片紧缩表明现在是时候建立一些“冗余”产能,为行业提供缓冲以吸收冲击。“但是,”他说,“就芯片从头到尾的一切制造而言,任何国家或地区能够达到 100% 的自力更生几乎是不可能和不现实的。这现在是不可能的,那就是未来不太可能。”


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