經濟學人 美中角力下的半導體業危機 - 工程師

這是本期經濟學人的特別報導，內容較長，翻譯的網頁版分成上下篇。
小弟非半導體業界出身，若有一些專有名詞不夠正確請指教。

美中角力下的半導體業危機 The chips are down (上)
http://mlkj24.pixnet.net/blog/post/32621512

美中角力下的半導體業危機 The chips are down (下)
http://mlkj24.pixnet.net/blog/post/32622163

Economist Dec 1st 2018

矽谷，美國科技產業的心臟地帶。其名稱來自某個化學元素，是微晶片中最重要的成分。
現在矽谷吸引到的外界注意力，多半集中在臉書、Google、蘋果電腦等企業上。這些公司
以其軟體或精巧的裝置聞名，而不是讓這些軟體、裝置動起來的晶片。但在50、60年代的
矽谷，是改善電晶體、積體電路等發明的地方，讓電腦從佔據一整個房間、不可靠的機器
，變成可以放入口袋的精巧設備。這又讓今日這些科技巨擘得以興盛。

現代的微晶片，已嵌入汽車、洗衣機以及戰鬥機等各種設備中。半導體貿易統計協會
(World Semiconductor Trade Statistics)預估，2017年的晶片市場市值高達4,120億美
金，比前年度上升21.6%。如果要說的話，這些統計數字低估了晶片製造的重要性。比如
說，全球的電子商務市場，一年約有兩兆美金的規模。如果把數據比做新的石油，晶片就
是讓這些數據轉換成真正有用事物的內燃機。

晶片的無所不在，也導致了一個全球龐大產業的成長。現代的晶片有著數十億個元件，生
產這些晶片的，則是非常先進、耗資數十億美金建造的工廠。事實上，這些工廠能造出來
，就已經是專業化與貿易之力最好的證明。

這些極其複雜的產品，也催生了同樣複雜的供應鏈，全球數千家專業公司涉及其中。美國
的半導體行業協會(The Semiconductor Industry Association)估計，他們有一名成員擁
有超過16,000家供應商，其中超過8,500家位於美國境外。晶片的原料、元件在最終成為
智慧型手機、汽車防鎖死煞車系統或其他產品的大腦前，早已交叉穿梭於全世界。

現在有兩股力量，將半導體業緊緊地推向鎂光燈下。首先，是地緣政治。晶片陷入了既有
的科技超級強權美國，以及渴望成為科技強權的中國間，日益惡化的競爭漩渦中。第二股
力量，則是物理學。這場醞釀中的技術競爭，正處於歷史性時刻。五十年來，半導體業的
進步，由摩爾定律掌控著，意即可以塞入晶片中的元件，每兩年就會成長一倍。也就是說
，晶片的計算速度也是兩年成長一倍。但摩爾定律正在瓦解，讓半導體業的未來，看起來
比過往任何時刻都更加混亂、更缺乏確定性。

電子政治學
Electronic politics

從地緣政治開始說起。美國長期以來，一直把晶片製造的領先地位視為重要戰略資產。矽
谷出產晶片的最早用途之一，就是核彈的導向系統，由五角大廈及創投支持著。2017年時
，白宮發表的一份報告中，完全不隱晦地使用以下字眼：「對國防系統和美國軍事力量來
說，尖端半導體技術至關重要。」

中國也認為晶片對其未來非常重要。2014年時，中國為了半導體產業研究、發展的金流所
需，成立了「國家集成電路產業投資基金」。這個資金的目標之一，是「2025中國製造」
，是要增加中國國內高科技產業本土製造的計畫。中國希望在2030年時，多數晶片可國產
(目前僅有約三分之一為國產)，將本土晶片產業的收益，從2016年的650億美金，增加到
3,050億美金。

美國並不歡迎中國侵入自己的地盤。美國做了一些動作，試圖減緩中國的進展。比如說在
2015年時，美國禁止世界第二大晶片商英特爾，販賣給中國作為超級電腦用途的高階晶片
。美國也阻擾中國企業收購美國公司。

今年中國智慧型手機、通訊設備製造商中興通訊在違反和解協議，違法出口技術給伊朗後
，川普政府曾短暫地禁止美國企業賣零件給他們。中興通訊年營收高達160億美金，產品
銷售到全世界。但這間中國公司的晶片，是幾間美國企業授權製造的，當供應源被切斷後
，中興一夜之間陷入癱瘓狀態。川普出人意料地同意解禁後，中興才避免破產一途。

擋風玻璃下的晶片
Chips in the windscreen

美國也對中國的產業間諜提出指控。11月1日時，檢察官起訴了中國的晶片製造商福建晉
華，以及其台灣的合作夥伴聯華電子。起訴理由是，這兩間企業竊取美國大廠美光
(Micron)的營業機密。美國官員警ˋ告，使用中國製造的設備可能會有風險，因為那些設
備可能會把敏感資訊傳回中國。10月12日時，兩位參議員公開警告加拿大，不要讓華為參
與建立加拿大境內的5g網路計畫。紐西蘭也在本週阻止了行動網路營運商Spark，在即將
推出的5g網路中使用華為的設備。在川普主導的與對中關稅貿易戰中，晶片也是前線之一
。8月份美國提出的一系列增加關稅的商品中，晶片也在其中。

中國也在報復行動上更加強硬。美國晶片設計商高通，原本想併購荷蘭恩智浦半導體
(NXP)，但因為北京的競爭監管單位拖延，最終只能放棄。中國官方也在調查美國、韓國
製造商是否操縱記憶體晶片的價格，對象中也有美光。

美國想挫敗中國的努力，可能只會讓中國更加堅定。直到最近，中國都還擁有世上最快的
超級電腦(譯按：2018年6月，美國IBM又奪回寶座)。這台超級電腦的名字叫做「太湖之光
」，位於上海附近的國家超級計算無錫中心。田納西大學超級電腦專家Jack Dongarra說
，「太湖之光」使用的40,960個神威26010晶片，完全由中國設計。他說，英特爾禁令一
事的主要影響，是「中國投入更多資金到高效能計算研究中」。「太湖之光」之後的超級
電腦，將使用更先進的晶片，目前也正在開發中。

貿易戰，以及美中之間不友善競爭意識的增加，讓這個世上最複雜、全球化程度最高之一
的產業產生了不良影響。政治風險顧問公司歐亞集團(Eurasia Group)的Paul Triolo說，
「這些晶片公司，在過去三十年都被告知說，全球化有多好。」「突然，這變成了國安問
題，這些公司只能試著調整適應。」

重整一個快速增長、對全球經濟非常重要的產業並非易事。早期，晶片製造商在自家工廠
進行每個生產步驟。直到1961年，快捷半導體(Fairchild Semiconductor)做出改變，在
擁有便宜高技術勞工的香港進行組裝及測試。隨著晶片成為更複雜、越來越多公司將製程
外包給專業商的產業後，這個趨勢越來越不可逆。結果就是整個產業變成令人困惑、成千
上萬間企業的匯集處。整個產業可以分為三大塊 — 設計、生產、組裝及封裝(見圖)。

譯按：這個半導體上下游的簡圖在網頁連結的上篇

從原始矽晶到晶片成品的旅途，說明了這個供應鏈有多精細。源頭可能起於阿帕拉契山脈
，那裏蘊藏著最高品質的二氧化矽。接著那些二氧化矽砂可能會被送到日本，做成矽晶棒
。接著會被削成標準尺寸的晶圓，每個300mm。然後送到稱為「fab」的晶圓廠，也許位於
台灣或南韓。這些晶圓會用荷蘭製造的光刻設備，刻上特定樣式。

這些樣式由晶片設計所決定。設計可能來自英國的ARM，但可能因為ARM許多授權下的特定
用途而進行調整。一旦完成，就進行模組組裝及封裝程序。這些蝕刻過的矽晶，將放置在
陶瓷或塑膠容器內，而這些容器能放在所有的電路板上，接著進行測試。這個程序可能在
中國、越南或菲律賓進行。

雙面切
Slices both ways

接著在崁入電路板中，這可能會在其他地方再發生一次。這將成為抵達墨西哥、德國或中
國工廠的眾多零件之一，組裝成為工業機器人、智慧型電表，或是雲端儲存用的眾多電腦
之一。

香港科技大學的須江教授說，中國本土半導體業起源自產業鏈中較低階的部分。中國的強
項仍在模組組裝及封裝。比如說，上海附近的長江三角洲一帶，有許多企業專門從事這些
工作。這些企業的名字也許外界不熟悉 — 江蘇長電科技(JCET)、天水華天科技、通富微
(TFME) — 但他們一年的營收都是數十億美金。

而現在，隨著西方企業仰賴這些公司，以及中國國內市場的火熱，中國也轉向設計及生產
了。中國晶片已經打進低階市場了。三星、英特爾、蘋果、台積電這些公司設計或生產出
強大、高價的晶片，專為智慧型手機或雲端運算使用。但研究機構IHS Markit的Len
Jelinek說，「75%到80%的半導體產品，並不是那麼地尖端科技」。為日常物品增加感測
、網路連接連接功能，提供給液晶電視、家用路由器和構成物聯網(IoT)的智能設備晶片
，「絕對可以由中國廠商製造」。

中國企業也開始在價值鏈上取得成功。華為旗下的海思半導體，以及中國國營的紫光集團
，以營業額來看，是全世界前十大半導體商。海思的供給智慧型手機用的「麒麟」系列晶
片，可以媲美西方企業設計的晶片。

摩爾定律不再
No Moore

透過這些努力，中國已減少對外商的仰賴，但無法完全去除。須江教授指出，中國企業仍
非常仰賴從ARM的晶片中做設計修改。ARM的晶片已主導行動計算(mobile-computing)業界
，也朝著主導物聯網所構成之智慧裝置業界方向邁進。ARM同時也打算打入高效能雲端運
算。這間英國公司最近被日本軟體銀行買下來；而英、日都是美國的親密盟友。

中國已發現，他們很難在高階製造上取得進展，而這是晶片製程中最嚴峻的一塊。中國新
貴必須要與已在此業界擁有驚人技術領先的企業，以及擁有數十年不敗技術的工程師競爭
。Len Jelinek說，「半導體產業實際上是不斷學習的循環」。「麒麟980」是中國第一個
利用7奈米製程的手機晶片 — 這個尖端技術用來擠出最大的運算效能。因為中國並沒有
晶圓廠擁有這樣的技術，海思必須跟其美國的競爭者蘋果、高通一樣，必須交給台灣的台
積電生產。

摩爾定律的消亡，也許提供了限制中國野心的一種方法。顯然，摩爾定律無法無限地發展
下去。每次把晶片中的元件縮小，生產就會變得更加繁瑣和昂貴。最先端晶圓廠的建造價
格，已經難以想像地高。三星斥資140億美元，要在南韓的平澤市蓋新廠。晶片製造商開
玩笑說，摩爾第二定律是，每四年晶圓廠的建造價格就會漲一倍。

這個結果造成，晶片製造的領先者地位更穩固。根據麥肯錫的報告，2001年時有二十九間
公司可以提供最先進的晶圓設備；現在僅有五間。這讓西方鷹派很容易就能減緩中國的晶
圓進程。這些晶圓廠由美國或台灣、南韓的企業掌握著，後兩者都是美國盟友。另一個層
次，則是提供給晶圓廠的設備。特別是荷蘭廠ASMAL，經過幾十年的嘗試，終於讓極紫外
光刻技術得以商業化量產。絕大多數先進晶片，都會需要這個製程。這讓西方的政策制定
者得以掐住中國咽喉。

但摩爾定律的終結，也提供給中國希望。過去曾有的一個副作用是，隨著元件縮小，晶片
原本應該要運行地更快。但這個稱作Dennard scaling的作用，在二十一世紀初期破滅了
，也就是說減少元件的好處，不再像過去那麼大了。根據這個理由，晶片產業分析師
Linley Gwennap認為，落後業界領先者一到兩步，跟以前相比，也沒那麼痛苦了。

在此同時，硬體設計師Andrew Huang說，摩爾定律的減緩，使得整個業界都在尋求製造更
佳晶片的其他方法。換句話說，注意力逐漸從改善製程，轉成更聰明的設計和新想法。如
果這改變了晶片業界的運行方式，中國企業可能會試圖切入這個相對新穎、尚無人進入的
領域。

海思的晶片提供了好例子。海思晶片包括了超級專業化的矽晶，這是為了增加人工智慧用
途晶片的計算速度。人工智慧是「中國製造」的另一個重點，也是現在中國投入大筆資金
的領域。量子計算是另一個有發展性的領域；量子計算是利用量子力學的機制，來極大地
加速某些類型的計算。中國已在量子計算領域投下了大賭注，據報導說中國斥資百億美元
在合肥市(安徽省省會)建立了一間大型研究實驗室。但這些需要掌握非傳統的物理技術，
比如說超導線和離子阱。而這些技術，與目前晶片製造商所使用的技術截然不同。

隨著中國在晶片製造上取得進展，美國則試圖把邊界推得更遙遠。包括Google、微軟及
IBM的美國企業，也擁有自己的量子計算技術。2017年總統科學技術顧問委員會的報告指
出，美國對中國崛起的最佳反應，是持續投資、保持技術領先地位。考慮到這點，美國國
防部高等計畫署(DARPA)，已在進行電子復興計畫(Electronics Resurgence
Initiative, ERI)。這個計畫的目的在於開發新技術，直至私人企業有辦法商業化這些新
技術為止。

追上腳步
Picking up the pace

電子復興計畫中，有一些案件是要改善現有製程。計畫主持人William Chappell說，其中
一個例子是，讓小型晶片設計公司的專業化矽晶，更容易地崁入大公司的設計中，這應該
有助於降低成本。但電子復興計畫也投資在更高賭注的領域上。目前有一些案件涉及光學
運算(optical computing)，目標是生產出仰賴太陽能而非電力驅動的晶片；依賴量子效
果產生作用的自旋電晶體(spintronic transistors)；犧牲運算精準度來節能的近似運算
(approximate computing)等技術。

讓晶片更高科技，可以讓美國繼續居於領先的位置。歐亞集團的Paul Triolo說，在任何
情況下，這可能會比試著解開全球供應鏈更簡單。事實上，不是所有美國企業都很歡迎凍
結中國一事。比如說，高通有三分之二的收入來自中國；美光則有57%。而且趨勢朝向互
相合作，比如說微軟跟亞馬遜在中國開設研究中心，這讓投資在太平洋兩岸流通。為了讓
中國受到控制而轉向保護主義，造成的傷害將遠遠超出國界。

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