美国能否扭转半导体制造业格局？

仅在过去两年里，美国才充分认识到半导体现在与石油一样对现代经济至关重要。

在数字化世界中，电动工具通常带有可跟踪其位置的蓝牙芯片。家电已经添加了芯片来管理用电。2021 年，每辆汽车平均装有约 1200 个价值 600 美元的芯片，是 2010 年的两倍。

造成芯片短缺的供应链紧缩让我们明白了教训。据咨询公司 AlixPartners 称，去年汽车制造商因缺少芯片而损失了 2100 亿美元的销售额。与中国的竞争引发了人们的担忧，即中国可能会主导关键的民用或军用芯片领域，甚至会阻止美国获得零部件。

现在，政府和企业正斥资数十亿美元大力发展国内制造业并保障芯片供应。据半导体行业协会称，自 2020 年以来，半导体公司在全国提出了 40 多个项目，价值近 2000 亿美元，将创造 4 万个就业岗位。

这是一个定义国际经济竞争轮廓并决定国家政治、技术和军事优势的行业的重大赌注。

“在过去的五年里，石油储量的位置决定了地缘政治，”英特尔公司首席执行官帕特·基辛格 ( Pat Gelsinger )在 10 月份的华尔街日报会议上宣布。“未来五年芯片工厂的位置更为重要。”

随着石油在 1900 年代成为工业经济的关键，美国成为世界上最大的生产国之一。确保半导体供应更加复杂。虽然一桶石油与另一桶石油非常相似，但半导体的类型、能力和成本却令人眼花缭乱，并且依赖于跨越数千种投入和众多国家的多层供应链。鉴于规模经济，美国无法自行生产所有这些产品。

“美国的前沿生产为零，”负责监督芯片和科学法案实施的商务部办公室主任迈克施密特说，该法案由拜登总统于 8 月签署成为法律，该法案向半导体提供 520 亿美元的补贴制造和研究。“我们正在谈论使美国成为领先生产领域的全球领导者，并在未来创造自我维持的动力。毫无疑问，这是一组非常雄心勃勃的目标。”

最近影响最大的短缺并不一定涉及最昂贵的芯片。

福特汽车公司首席执行官吉姆法利去年 11 月在加利福尼亚州圣何塞举行的一次芯片业高管聚会上说，工厂工人，即北美的工人，自那年开始以来只工作了整整一周 3 次年因为芯片短缺。由于缺乏简单的芯片，包括 F-150 皮卡车挡风玻璃刮水器电机所需的 40 美分零件，导致其生产目标不足 40,000 辆。

直到 2014 年，总部位于圣地亚哥的ResMed Inc. 制造的治疗睡眠呼吸暂停的机器每台都只包含一个芯片，用于处理气压和湿度。然后 ResMed 开始将蜂窝芯片放入设备中，将用户睡眠模式的夜间报告卡发送到他们的智能手机和他们的医生。

结果，用户的常规使用率从略高于一半攀升至约 87%。由于持续使用设备的睡眠呼吸暂停患者的死亡率较低，因此相对简单的芯片可以帮助挽救生命。

在芯片短缺期间，当对其机器的需求上升时，ResMed无法获得足够的蜂窝芯片，部分原因是竞争对手的设备被召回。一些供应商违背供应协议。患者面临长达数月的等待。

首席执行官米克·法雷尔 (Mick Farrell ) 表示，尽管他的订单相对较小，但他恳求长期供应商优先供应他的设备。“我要求越来越多，请优先考虑我们，”他说。“这是一个生死攸关的案例——我们不只是要求让你感觉更好的东西。”

该公司重新设计了在新加坡和悉尼组装的机器，以用更容易获得的其他芯片替换供不应求的芯片。它寻找新的芯片供应商。它甚至倒退了时钟并发布了一个没有蜂窝芯片的设备版本。

尽管芯片短缺情况有所缓解，而且该公司最新的呼吸设备也重新使用了蜂窝芯片，但 Farrell 先生担心芯片供应可能成为瓶颈。

5 月，他是一群医疗技术 CEO 之一，他们在电话会议上向商务部长吉娜·雷蒙多 (Gina Raimondo) 请求帮助。雷蒙多女士的工作人员要求其他联邦机构将医疗设备指定为必不可少的设备，并帮助将买家直接与制造商联系起来，绕过分销商。

这种请求也让拜登政府在雷蒙多女士的领导下努力通过芯片和科学法案变得更加紧迫。长期以来，美国一直对产业政策持谨慎态度，在该政策下，政府而非市场将资源引导至特定行业。许多经济学家批评产业政策是在挑选赢家。但许多共和党和民主党立法者认为，半导体应该是一个例外，因为它们与石油一样，具有重要的民用和军用用途。

该法案通过后不久，曾推动国会通过该法案两年的英特尔公司在俄亥俄州破土动工了一项耗资 200 亿美元的项目。商务部将在下个月公布有关如何授予法律制造业补贴的指导方针。

美国科学家和工程师从 1940 年代开始发明半导体并将其商业化，如今美国公司仍然主导着半导体供应链中最赚钱的环节：芯片设计、将这些设计转化为实际半导体的软件工具，以及与日本的竞争对手和荷兰，价值数百万美元的机器将芯片设计蚀刻到制造厂或晶圆厂内的晶圆上。

但半导体的实际制造越来越多地外包给亚洲。根据波士顿咨询集团和 SIA 的数据，美国在全球芯片制造中的份额已从 1990 年的 37% 下降到 2020 年的 12%，而中国大陆的份额已从大约零上升到约 15%。台湾和韩国各占20%多一点。

先进逻辑芯片（计算机、智能手机和服务器的大脑）的最前沿制造商是台积电（代工厂）和韩国三星电子公司，英特尔位居第三。内存芯片主要由总部位于美国和亚洲的公司在亚洲制造。低端模拟芯片在消费和工业产品中通常只执行一些任务，但在世界各地都有生产。

尽管美国在大量研发领域处于领先地位，但在制造业方面却落后。

芯片制造商正斥资数十亿美元兴建新工厂，以提高该国在制造业中的份额，但仍然存在重大障碍，包括美国工程专业学生人数增长缓慢。

从 2016 年左右开始，美国官员开始阻挠中国采购一线芯片公司和技术的努力。去年 7 月，当一家加拿大研究公司报告称中国最大的芯片制造商中芯国际已开始制造7 纳米芯片时，华盛顿的许多人都感到措手不及——这种复杂程度超出了它的能力。

10 月 7 日，美国政府毫无征兆地对向中国出口芯片相关产品实施了有史以来最广泛的限制。长期以来，美国一直愿意让中国的半导体能力进步，只要美国保持领先。新的控制措施走得更远，试图在美国及其盟友领先的同时阻止中国。

与此同时，美国官员希望联邦补贴将导致工厂足够大和先进，以在未来很长一段时间内保持竞争力和盈利能力。雷蒙多女士在接受采访时说：“我们必须想办法利用我们拥有的每一个杠杆……来推动这些公司变得更大。” “我需要英特尔考虑将俄亥俄州那个价值 200 亿美元的设施变成一个价值 1000 亿美元的设施。我们必须说服台积电或三星，他们可以从每月 20,000 片晶圆增加到 100,000 片，并在美国取得成功并盈利。这就是这里的全部游戏。”

这一雄心壮志出现在芯片制造商的微妙时刻，他们中的许多人已经看到对大流行初期炙手可热的电子产品的需求急剧下降。英特尔正在经济低迷时期削减资本支出，台积电本周表示，需求疲软可能导致其削减今年的资本支出。

为了满足芯片公司的投资需求，雷蒙多女士已与私人基础设施投资者接洽以参与芯片项目，仿效布鲁克菲尔德资产管理公司对英特尔亚利桑那州晶圆厂的共同投资。去年 11 月，她在巴克莱银行 (Barclays Bank) 在新加坡举办的一次投资会议上向 700 名基金经理提出了这个想法。

她还与包括苹果公司在内的芯片客户接洽，商讨购买这些晶圆厂生产的芯片。“我们将需要大客户承诺购买 [晶圆厂的产出]，这将有助于降低交易风险并表明这些芯片有市场，”她说。

这些努力似乎在 12 月得到了回报，当时台积电宣布将在菲尼克斯北部一片广阔的灌木丛中建造的设施中将投资增加到 400 亿美元用于尖端芯片。这里以前是野驴和土狼的家园，现在到处都是建筑起重机，并运送了一些世界上最先进的制造设备。

在那个月拜登和包括雷蒙多女士在内的高级政府官员出席的仪式上，苹果公司首席执行官蒂姆库克和Advanced Micro Devices Inc. 首席执行官苏姿丰承诺购买该设施的部分产品。

尽管如此，台积电在一封公开信中告诉商务部，尽管对其计划以及地方、州和潜在的联邦补贴感到兴奋，但成本高于在国内建立类似业务的成本。台积电创始人张忠谋去年 11 月表示，差距可能达到 50%。台积电称已派出600多名美国工程师赴台培训。

在美国之外，欧洲也有自己的计划，在大约 10 年内将其在全球生产中的份额翻一番，而台湾、中国大陆和其他亚洲国家的当局正在向该行业投入资金。台积电除了在亚利桑那州的项目外，还在日本建设一家芯片厂，并正在寻找对欧洲的潜在投资。

美国的高成本和合格劳动力稀缺阻碍了之前将电子制造业回流的努力。印第安纳州普渡大学校长 Mung Chiang 表示，计算机和工程专业的学生被芯片设计或软件所吸引，而美国公司在这些领域处于领先地位，而不是制造业。

“即使他们说，‘是的，半导体制造听起来很不错，我想去做，’好吧，他们在哪里可以学到真实的、活生生的经验？”

作为回应，普渡大学创建了一个专门的半导体项目，希望到 2030 年，每年可以亲自和在线颁发 1,000 多个证书和学位。7 月，总部位于明尼苏达州布卢明顿的晶圆代工厂SkyWater Technology表示，它将在普渡大学校园内建造一座价值 18 亿美元的晶圆厂，预计将得到 Chips 资金的支持。

开发国内人才供应只是成功的一半。美国在半导体的许多关键投入方面也依赖外国。

在硅晶片上刻印微小电路蓝图的激光器使用纯化的氖气，这些氖气由通常从钢铁厂附属的大型空气分离装置中收获的原始氖气制成。这些设施在从空气中分离氧气以用于炼钢炉时会产生氖气。

由于钢铁行业在过去半个世纪中大部分迁出美国，目前国内生产的氖气非常少。大多数来自乌克兰、俄罗斯和中国，但俄罗斯对乌克兰的入侵使中国成为世界的主要来源。

“这对美国来说是一种风险吗？绝对是，”Electronic Fluorocarbons LLC 的执行副总裁 Matthew Adams 说，这家总部位于马萨诸塞州的公司进口、净化和销售氖气和其他气体。“长期禁止从中国向美国出口霓虹灯将在库存耗尽后关闭很大一部分半导体生产。”

用于芯片制造的少数其他原材料，例如钨，可转化为六氟化钨并用于在芯片上构建部分晶体管，同样主要来自中国。要真正将美国芯片行业与中国脱钩，就需要取消几十年的全球化，行业领袖表示这是不切实际的。

即使美国不能成功确保整个半导体供应链的安全，它也有机会扭转最近在一个制造业领域接连失去领导地位的历史格局，包括乘用车、铁路设备、机床、消费电子和太阳能板。

信息技术与创新基金会总裁Rob Atkinson说：“我认为我们以前从未这样做过：以一种有意识的、有针对性的方式尝试在我们曾经是领导者但后来失去的行业中重新获得市场份额，”该创新基金会倡导政府支持制造业。