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全球半导体产业转移启示录

芯片产业,从美国、日本、韩国到中国台湾依次发生转移,是什么让他们抓住发展机会?技术、人才、制度还是其他?

标签: 半导体 新兴产业 宏观经济

来源:泽平宏观(ID:zepinghongguan)


从历史进程看,全球范围完成两次明显的半导体产业转移:第一次,二十世纪70年代从美国转向日本,第二次从80年代转向韩国与中国台湾,目前逐渐转向中国大陆。是什么支持这些国家与地区半导体行业发展如此蓬勃?他们又是如何抓住机遇?


从整体来看,2017年全球半导体市场销售额达4122亿美金,同比增长21.6%,分为集成电路(83.25%)、光电子(8.45%)、分立器件(5.25%)和传感器(3.05%)四大类,集成电路连续数年领跑整个行业。从产业链来看,主要涉及电路设计、芯片制造与封测检验这三个环节。从运作模式来看,目前主流整合模式(IDM)与垂直加工模式。从上游设备材料消耗来看,第一被韩国(设备,31.71%)与中国台湾(材料,21.9%)包揽,中国大陆均排第三;但供给商方面,排名前十厂商被美日韩台垄断,占据市场份额90%以上,无一中国大陆企业。


半导体目前形成深化专业分工、细分领域高度集中的特点。从发展历史看,影响因素为两方面,宏观层面的全球经济波动与产业层面的转移变革。历史上两次成功的产业转移都带动产业发展方向改变、分工方式纵化、资源重新配置。也正是每次的变动,让后来者有切入机会,继而革新整个行业。因此,产业转移是技术进步、国家产业政策和企业发展规划的综合结果。以美国为代表的领导者,依靠扎实的基础研究、倾斜性支持政策、游戏制定身份来长期维持行业垄断地位;以日韩台为代表的追赶者,则从每次产业变迁抓住需求变动,依靠产业政策或财阀领导实现跨越式升级。其中,日本失败在国际政治和外交因素的压力下丧失了主导权与对技术发展判断失误。


详细来看:


作为技术的发源地,美国一度领导全球半导体与集成电路的发展。目前,美国半导体销售额为1889亿美金,处世界第一。除了1986-1991年期间被日本赶超,美国市场占比基本维持在50%。美国保持领先的原因为:1)扎实的基础研究奠定理论基础,时间积累突出研究深度;2)发明者的地位决定设计框架的国际使用,即游戏的设计者与规则制定者;3)国家意志推动,政府决定性地在资金、采购、政策规划、外交贸易等方面的突出领导作用。


日本半导体1986年DRAM市场占有率达80%反超美国成为世界半导体第一强国。成功在于1)初期美国的大力支持与经济复苏;2)大型机时代以“物美价廉”从DRAM市场切入赶超;3)政府在协调统一与贸易保护做出的巨大贡献。但90年代开始逐渐没落,主要因为1)经济几乎停滞,同时美国打破贸易保护;2)固守大型机时代的成功,没有根据行业发展进行主动调整,失去先机;3)固守的分工方式,在人力与资金上显得累赘,缺乏灵活性。


韩国与中国台湾大约同时发展,抓住大型机到消费电子的转变期对新兴存储器与代工产生的需求。截至2017年,韩国以22%全球半导体市场份额成为仅次美国的半导体超级大国,而台湾以76%市场份额占领全球代工市场。造成这一区别的主要因为韩国独特的财阀推动作用1)发展前期在美国帮助下,财阀带领的主动对新型技术模仿吸收;2)不间断地对设备、材料、人才的投资;3)中后期政府参与时,研发依旧由财阀内部完成,政府基本起到基金调配作用而并非领导作用。因为缺少资本雄厚财阀,众多中小企业的台湾主要在政府产业政策下发展1)抓住行业需求积极参与全球化分工;2)新竹园区聚集效应与海外人才的回流;3)包括工研院建立的政府政策、战略规划。


中国集成电路发展势头凶猛,第三次产业转移趋向中国。据数据统计,2017年我国集成电路产业销售额达5411.3亿人民币,同比增长24.81%。产业结构从“大封测-中制造-小设计”到“大设计-中封测-中制造”转型,从低端走向高端,展现我国集成电路发展的突破。但我国需求供给不平衡不匹配现象仍然严重,且将长期存在。进出口缺口比例长期保持50%以上,其中进口项目45%以上为微处理器与控制器,说明我国在核心芯片缺乏核心竞争力,需要依赖于人。


对我国的启示,无论领导者还是追赶者:1)强有力的政府支持作用。政府在发展初期的强力支持作用至关重要,从行业整体规划出发,辅以相关税收减免、资金调配、技术与人才引进等产业政策。2)大力度培养人才。目前我国集成电路人才面临数量低、质量低和海外流出高的“两低一高”问题。国家需发挥主导作用,加强“产学研”,提高人才待遇、改善就业环境,吸引海外人才、培养本土人才。从追赶者经验来看:3)统筹规划产业发展方向、技术路线,统一目标与认知。结合我国制造占比连年下滑与制造的重要地位,我国可以先大力发展制造业,再以提升设计能力,规划制定每三年或每阶段发展目标,凝聚产业力量,统一各界认知。4)对比全球,继续加强投资。对比其他国家,我国无论在设计人才培养、制造材料设备购买、封测技术升级的需要花费的金额更甚。并且需要根据产业规划,明确投资主要方向,不能杂乱无章。5)建立区域整体,发挥群聚效应。学习韩台经验,利用地理优势加强地区性产业规划来发挥群聚效应,联合配套设施带动知识与技术的高效流动、活化资金。从日本失败经验来看:6)坚持政策自主,保持发展独立性。吸取美日两次双边协议教训,面对此次美国借贸易战名义打压遏制“中国制造2025”为代表的高科技领域,我们要坚持自主底线,不能受到外界压力丧失自主权。


此次中兴事件无疑给国人敲响警钟,结合我国半导体产业现状事情,抓住此次产业转移趋势来提升我国高科技制造、设计能力,最终提高国家竞争力。


风险提示:技术进展、政策推动不及预期、全球经济波动剧烈等


1.半导体行业整体情况


1.1细分领域、产业链与运作模式


以中兴禁令为启,此次中美贸易战,实质是美国打着贸易的旗号试图对“中国制造2025”为代表的高科技领域进行打压与遏制。代表之一的半导体,其历史最早追溯到19世纪30年代,经过长达一个世纪的研究,直到1947年美国贝尔实验室发明了更具实用价值的晶体管,人类才开启电子时代并向信息时代前进。可以说现代的大多数文明,例如家电、PC(个人电脑)、智能手机等,都需依靠半导体行业。


从类型来看,半导体可以分为集成电路、光电子、分立器件和传感器这四大类。尽管占比有下滑趋势,集成电路依旧以超80%市场份额领跑,细分包括储存器(36.12%)、逻辑电路(29.78%)、模拟电路(15.46%)和微处理器(18.63%)。


从整体来看,根据世界半导体贸易协会(WSTS)数据显示,2017年全球半导体市场销售额达4122亿美金,同比增长21.6%,背后主要推动力来自集成电路与传感器的强力增长:得益于DRAM(动态随机存取储存器)、NAND闪存等储存器爆发,集成电路2017年增速为24.03%;因物联网、智能控制、汽车应用、图像识别等强劲需求驱动,传感器市场去年增速为16.17%。


从产业链来看,主要涉及电路设计、芯片制造与封测检验这三个环节。生产流程主要是以电路设计为主导,IC设计商根据客户需求把系统逻辑和性能转换成物理图谱,然后委托芯片制造商从原材料,经过提纯、单晶硅柱、分片、蚀刻等过程制成晶圆(排列着集成电路的硅晶片),再送到封装厂完成电路封装、测试的最后步骤,最后进行销售。


从运作模式来看,目前主流两种运作模式,即整合模式与垂直加工模式。整合模式又称IDM(Integrated Device Manufacturer),早期的芯片企业多为IDM,以英特尔与三星为代表业务范围覆盖整个产业链。但根据摩尔定律,同等价格下,集成电路上容纳的晶体管元器件数目每18-24个月翻一倍,性能也随之提升一倍。这一定律揭示了半导体行业发展迅速的同时,也暗示整个行业需要不停的投入新型材料与仪器研发更高性能芯片。为了减轻投资压力与降低失败风险,上世纪九十年代开始,IDM逐渐拆分成单环节加工,形成以设计为主的Fabless模式、晶圆代工Foundry模式和纯封测检验模式。


1.2市场规模


材料方面,据半导体工业协会数据显示(SIA),2017年上游材料端市值约470亿美金,排名第一的为中国台湾,以21.9%市场份额连续八年夺冠;中国大陆发展迅速,对比2011年增长56.8%。但最为重要的硅晶圆供应市场却被日本包揽一半,排名前五供应商占据全球94%市场份额,较去年增长一个百分点,垄断日益加剧。


设备方面,2017年全球设备共投资566亿美金,韩国以179.5亿美金首次超越台湾成为全球设备花费最高国家,主要原因在于今年存储器的暴涨带动DRAM相关产业链增长,韩国作为DRAM产出第一国家的收益最高。中国大陆以27.4%增速展现对制造环节的投资热情,排全球第三。与材料供应市场类似,设备供应市场90%以上被欧美日韩垄断,且前十厂商均有较高的营收增长,其中韩国SEMES以142%增速成为全球涨幅最高供应商。


因为拥有英特尔、三星、海力士等全球前十公司,IDM市场规模远大于Fabless市场规模,但两者差距逐渐缩小。Fabless与IDM规模比从1999年的7.67%提升到2017年的38.66%,说明行业产业链全球纵向延伸加剧。终端应用方面,智能手机依旧是第一大场景,占整体32.28%。虽然智能手机市场逐渐饱和,出货量连续下滑,智能手机市场对半导体需求依然保持较高水平。另外,5G、人工智能、物联网、汽车电子等快速发展也大力度推动整个半导体芯片市场。


1.3影响因素:宏观层面的全球经济与产业层面的转移变革


作为资金与技术高度密集行业,半导体目前形成深化的专业分工、细分领域高度集中的特点,因此半导体受全球经济影响波动较大,且相关性越来越强。分析1980-2022年期间全球经济与半导体行业之间的相关系数可以发现,除去90年代全球半导体行业处于整合模式向垂直加工模式转移,其他期间显示出全球经济对半导体行业强力拉动关系,而这一趋势未来表现更甚,相关系数逐渐向1靠拢。主要原因为两点:


1)垂直模式日趋成熟,产业链更细化。细化分工的产业链除了降低投资风险、提高环节操作效率与最终产品良品率,更重要的是给新玩家一个进入行业的切入点,例如技术水平较低的封装检测、设计突出的Fabless等。对比早期IDM形式,各自环节深化有效降低资本支出在销售的比例,企业盈利得到一定保障。


2)大规模兼并收购带来细分领域的龙头效应,议价能力增强。为了保障企业技术水平、研发进度领先,并拥有一定的市场份额,半导体自2000年开始进行一定规模的兼并收购,整体交易金额在2015年达至顶峰为1073亿美金。大量高频的行业并购降低制造商与供应商数量的同时,使“强者越强”。而2017年的并购行为放缓也侧面说明,行业的成熟令各自领域的龙头效应明显,更多的并购已无法带来更好的边际效益。


从历史进程看,全球范围完成两次明显的产业转移:第一次,二十世纪70年代从美国转向日本。十九世纪50年代,晶体管诞生于美国,后续发明影响行业的革命性芯片与商业应用,例如英特尔4004、英特尔8088、IBM个人计算机等。出于经济与政治因素考虑,70年代向日本提供技术与设备支持,产业转向日本,日本半导体一度跃至世界第一。为了抵制日本发展夺回半导体行业话语权,美国开始向韩国台湾等地提供支持,第二次,产业从80年代开始转向韩国与台湾。为了降低设备、人力等成本,目前,产业逐渐转向中国大陆。是什么支持这些国家与地区半导体行业发展如此蓬勃?他们又是如何抓住机遇?我们后续根据国家一一分析。


2.美国


作为技术的发源地,美国一度领导全球半导体与集成电路的发展。据数据显示,美国半导体销售额以平均5.02%增速从1997年的709亿美金增至2017年的1889亿美金。除了1986-1991年期间被日本赶超全球公开销售市场份额一度跌至35%,美国市场占比基本维持在50%,处于世界第一,且在中日美欧等国家均占据重要地位。


尽管如此,美国半导体发展并不是一帆风顺,也曾面临过二战时期经费短缺与八十年代被日本打败等窘境。为此,美国成功化解危机并保持世界第一的位置,除了我们在《中美科技实力对比:体制视角》所提及的强大资金基础、高质量人才汇集、包括产学研为代表的创新创业精神与科研人员高效流动的科技体制外,我们认为还有以下几点1)扎实的基础研究奠定理论基础,时间积累突出研究深度;2)发明者的地位决定设计框架的国际使用,从而进一部强化国际地位;3)政府决定性地在资金、采购、政策规划、外交贸易等方面的领导。


2.1基础研究扎实


美国对基础研究无论在深度还是广度都首屈一指。长期积累的物理、数学、化学实力是微电子学、电力学发展基础,二战后,在国防部支持下,美国基础学科受到高度重视,继承德法英研究的美国半导体正是此期间高速发展。以肖克利及“八叛徒”为代表的行业领军人物,大胆设想、不断钻研,令美国成为第一个发明半导体与集成电路的国家,极大带动美国研究热情。此后由国家科学基金委员会(NSF)带头,资助国家基础研究项目与科学教育,促进研究成果的同时大范围培养人才,加深基础研究,形成“研究领先-拥有人才培养实力-更多人才投入-积累突破”的良性循环。


资金支持力度上,美国保留了自二战以来对基础研究支持的传统。从研发支出结构来看,除全球金融危机时期,美国基础研究投入以较为稳定速度增长,且逐渐追平应用研究投入,占总研发支出的16.86%,而中国这一数字仅为5.45%。除了每年美国国家科学基金会固定投资的几项基础项目外,美国先后投入十数亿美金实施“超越摩尔定律的科学与工程”(SEBML)、“国家纳米技术”(NNI)等计划以维持自身在全球范围内的领导地位。


2.2游戏制定者


从历史来看,晶体管、集成电路、大型集成电路、超大型集成电路、个人电脑、智能终端等发展,美国不是技术发明者就是行业领导者。“第一款产品”意味着开拓无人占领的新兴市场,也意味着对后来者设定市场准则。换句话说,高科技领域,一款新型产品的收益远不止销售所展现的数字,更多是身为游戏制定者与裁判双重身份所带来潜在好处。这也是美国在半导体甚至其他行业能展现出超强实力的重要原因之一。


以英特尔为例,Wintel(Windows+Intel)模式占据pc时代市场半壁江山,尽管影响逐渐下降,但对众多厂商造成的挑战始终存在。主要原因在于英特尔对指令集与微架构的长期统治。指令集(Instruction Set Architecture,ISA)为转化操作任务成CPU(中央处理器)可以理解的底层代码的一项硬程序,这一过程又叫做编译(compile)。微架构(microarchitecture)即设计者对芯片处理频率、运输速度、耗能水平等的体现,拥有微架构设计能力也等于拥有CPU自主知识产权。以书本比喻,微架构能力是作者整体绘图写作、思想意图的体现,而指令集是为不同国家读者按照一定标准的翻译器,通过这些过程,全球读者才能阅读到这本书。同一本书可以按照不同标准来翻译,因此出现了不同的指令集,最为著名的是英特尔x86、ARMv8、MIPS等。同理,一种翻译标准也可以翻译不同种类的书形成不同微架构,其中以低耗能ARM(英国公司)Cortex与高性能英特尔Core系列为主。


虽然在ARM移动处理联盟(手机厂商为主,包括华为、三星、苹果等)的围剿下,注重计算机市场的英特尔控制力有所下降,但据IC Insight数据显示,英特尔依旧全面占据2017年计算机处理器市场,算上平板电脑与手机应用处理器,英特尔x86占据超60%微处理器市场。作为最早推出的指令集x86,抢占先机制定标准,其余企业研发CPU时都需要考虑x86的兼容问题是其长期制霸的原因。另外,英特尔通过对少量企业授权(AMD、Cyrix(已被收购)、IDT等),或进行同等价值的技术交换来拉长自身发展优势。第三,与windows建立的软件生态,吸引后来设计者的同时加强行业影响力。


其余细分领域,例如专攻某项能力的ASIC、FPGA等,都是类似“抢占先机-制定规则-扩大市场-再投资-辐射影响”逻辑令美国在半导体行业全球领先。


2.3举重若轻的政府角色


半导体发展符合“刺激-反应-发展”的规律。与美国传统提倡的“市场经济”、“自由发展”所不同,美国政府进行过多次直接或间接关键性政策干预,直接行为为政府采购、政府资金支持、相关法律政策、外交贸易,间接行为为影响技术发展方向、市场需求与市场竞争。


2.3.1 技术方向、资金支持与政府采购


技术发展初期,即20世纪50年代至70年代,政府既是技术发展的提出者,又是资金提供与产品采购者。一项新技术的发明存在资金与风险双高情况,私人企业无法承担,政府在有明确需求下的大力支持可以很好的缓和企业风险,为技术创新准备充分条件。


作为军方的技术支持,早期各大企业与实验室的研发多基于政府需求,因此,政府对技术发展方向影响重大。因战争产生的对电子信息技术“高效、快速”要求,催生了晶体管的诞生。但第一枚晶体管原材料锗的化学性能在高温条件下不稳定且产量有限,促使了硅材料的使用。其次,军方对元器件线路庞大复杂、故障率高提出了“微型、轻便、高效”要求,激发研发小型整合体,这也是1959年德州仪器实验室发明集成电路的直接动机。


再者,政府的资金支持与大规模采购加快技术发展与产品商业化,其中空军支持率最高。研发经费分政府经费与民间经费,政府经费又分直接拨款与承包合同两种主要形式,而承包合同贡献率更强。据美国商务部数据统计,1958-1964年期间,平均每年研发经费来自政府的比例约85%(除1956年),1958年政府直接拨款400万美金,承包合同费用则高达990万美金。集成电路发明后的六年内,政府对其资助达3200万美金,70%来自空军。合作内容包括德州仪器115万美金的两年半的技术研发、德州仪器210万美金的500个集成电路生产能力、西屋公司的430万美金的电子产品生产等。在产品得到初步回报后,政府降低采购与资金力度,转接给个人与企业投资者,再借助市场效应扩大规模。


2.3.2  特殊时期的外交与贸易手段


到了发展中期,日本以DRAM储存器为切入点,无论从产量、技术还是价格优势均反超美国,从“后来者”逆袭为世界霸主。对此,美国政府迅速做出了战略调整,包括最为著名的《美日半导体贸易协议》(The U.S-Japan Semiconductor Trade Agreements)与SEMATECH联盟(美国半导体科技与制造发展联盟)。


双边协议签订背景是日本抢走部分高科技领域而引发美国对自身发展的担忧。美日双边协议取消日本贸易壁垒扩大市场、同时遏制对手发展。80年代前全球销量最高半导体公司被美国所垄断,包括国民半导体、德州仪器、摩托罗拉等,到1986年全球前十公司有6所来自日本,前三强更是易主为日本电气、日立、东芝。为此,联邦政府开始在1985年与日本进行谈判,以“反倾销”名义令日本政府调整产业政策,主要要求为1)至1991年底,非日本企业生产的半导体器件与芯片在日本销量必须占日本市场总销量的20%(之前日本政府保护下为10%以下);2)禁止日资在美投资并购;3)建立价格监督机制,禁止第三国反倾销。从出发点与申诉点来看,都与今年中美贸易战有所相似,但不同的是,依赖美军保护与国防需求,日本在1986年签订了协议。由于当时众多美国企业为区别日本低价竞争,转向ASIC(某种特殊目的的定制芯片)等高技术高附加值市场,双边协议带来的效益不算很大。协议过后,日本全球市场份额与DRAM市场份额变动不大,依旧处于美国之上。对此美国于1989年再次与日本签订贸易协议,条款扩大至专利保护与专利授权等,对此,日本不得不令本国企业开始采用美国框架与产品。数据显示,1996年非日企业半导体产品在日本市场份额升至30%,其中75%来自美国。


SEMATECH整合资源,提高信息、技术与人才交流。尽管美国对产业做出调整改变分工方式,转向ASIC定制市场形成Fabless运营模式,但基础技术、设备、材料的劣势不能忽视,对比日本“价廉物美”,美国急需提高制造工艺降低成本,SEMATECH为此发挥了巨大作用。1987年,政府发挥主导效仿日本大规模集成电路技术合作联盟经验(VLSI计划,日本篇细讲)联合英特尔、德州仪器、IBM、摩托罗拉等在内的共11家公司建立SEMATECH,旨在增强美国国内半导体制造与原材料等基础供应能力。在国防部高级研究项目机构(DARPA)领导下,11家企业除了互通有无,更是加强了与设备制造厂商之间的合作,包括1)委托开发设备;2)改进现有设备;3)制定下一阶段技术发展战略;4)加强信息交流。其中最重要的是新设备开发,占总预算的60%,项目集中在金属板印刷技术、蚀刻、软件及制造等。统一规划合理配置资源的同时,降低研究与实验的重复性,改善企业无主攻方向问题并大大提升制造能力与材料研发进程。因此,美国1992年重新夺回世界第一。市场方面,美国国内对美产新设备采购意愿从1984年的40%提升1991年的70%,1992年美国应用材料公司成为全球最大设备材料供应商,并保持至今;技术方面,日本终端芯片对比美国的相对成品率从1985年的50%下降到1991年的9%,1993年SEMATECH完成0.35微米的电路制造。


2.3.3 相关立法与优惠政策


注重法律保护的美国,在半导体方面实施了多项政策贯穿全程,直接或间接的影响半导体行业在融资、投资、税收、专利保护、科技研发等方面的进程。形式可分为减免所得税、企业低税率、额外费用减扣、亏损结转、所有权保护、打击恶性竞争等。


以《经济复兴税收法》为例,企业研发费用不作为资本支持而作为费用抵扣,如当年研发开支超过前3年平均值,超出部分给予25%税收减免,企业用于新技术改进的设备投资可以按照投资额10%进行所得税抵免。这一法案的实施,减免企业营业压力的同时增加企业创新研发动力与研发强度。


针对早期芯片行业版权混乱现象,美国出台专门也是当时世界第一部的《半导体芯片保护法》,进行注册后的集成电路权利人可以在10年内享有该作品的复制、发行等基础权利,也享有对恶性抄袭复制者的追诉权,即使没有注册,设计者也在2年内享有权利。但是《芯片法》不反对反向工程(通过现成产品进行设计复原),也一定程度的促进市场竞争。这部创新性的保护法案也影响了其他国家集成电路的专利保护,更是影响了世界知识产权组织(WIPO)修订《集成电路知识产权条约》与世界贸易组织(WTO)修订《与贸易有关的知识产权协议》。


3.日本


从时间来看,日本半导体大致始于20世纪50年代,1950-1960年积极储备、酝酿实力;1970-1986年迎来黄金时代,1986年DRAM市场占有率达80%反超美国成为世界半导体第一强国,半导体产业逐渐从美国转向日本;1990-2000年逐渐没落,现今已经没有一家日本企业专注于DRAM市场了,可谓成也萧何败也萧何。80年代至90年代可谓日本半导体重要分界点,我们认为有四条原因促使日本成功,也有四方面因素令日本不复当年辉煌。


3.1令人震惊的成功


3.1.1 美国支持与日本战后经济复苏,为技术发展提供良好环境


初期,即20世纪50年代至60年代,日本的发展离不开美国的支持,主要体现在经济复苏与技术授权。20世纪50年代,美国爆发对朝鲜战争,军需大大提高,作为美国“远东兵工厂”的日本凭借此次机会,迅速积累技术与财富,修复二战后科技与经济落后的差距。此后的美苏争霸,日本再次充当美国背后支持储备角色,支援的同时靠着美国提供的工业技术,充实自身基础,家电行业的腾飞也正是这些行为的结果。日本从“军转民”正式进入经济高速发展阶段,GDP在1955-1980年期间保持超10%增速增长,这不过花费约10年。


“引进-消化-改良”快速缩短与美国之间的差距。发展一项技术最快的方法就是学习模仿,因此日本实行产业标的(Industry Targeting)政策紧盯西方国家开始大量技术引进。半导体行业最早发生在1962年的日本电气公司引进仙童的平面集成电路制造技术,结合自身反向工程,成功实现集成电路量产。再在政府要求下传授给其他日企,将日本集成电路芯片制造能力逐年翻倍,成功实现硅晶体管的商业化与市场化。


3.1.2 政府角色


区别美国政府强硬作用,疲弱的日本军方无法复制类似美方在初期对半导体产业强力的技术指引与需求拉动,日本政府起到更像是整合规划带头的角色。


1)集合资源,整体规划,统一认识。不同于美国半导体企业大多单纯从事集成电路或者其他电子领域,日本企业大多有另外产业,整体规划稍显混乱,例如东芝的家电事业部、精工的腕表事业部、索尼的相机事业部等。进入到“轻薄短小”发展时期(早期是以钢铁煤炭为代表的“厚重生长”到70年代电子半导体“轻薄短小”),以通产省为代表的日本政府,发挥了资源与资金协调、加强企业与政府之间信息沟通与调整产业发展方向的作用。例如,为了解决IBM 370系统及1M存储器进入日本市场后带来的压力,通产省联合日本电气、日立、富士通和东芝五家企业在1976年组成为时4年的超大规模集成电路项目(VLSI),总投资2.36亿美金,其中政府出资45%。VLSI主要分为五家企业共同研发的基础共性技术与内部单独研发技术两条不同线路,目标为10年内提升DRAM技术,包括短期64K与256K与长期1M目标并实现量产。1980年VLSI计划宣布结束时,共获500多项联合专利与1200多项工业专利,极大的提升日本整体集成电路水平,也为日本在80年代以DRAM为切入点成为世界第一强国奠定技术基础。从该项目可以看出,虽然项目研发还是以企业为中心,但是政府在联合研究基础共性技术方面发挥带头与协调作用,并在专利保护、研发成果免费向成员公司转移等方面促进了知识高效流动。


2)民企拉动内需,“物美价廉”打开外需。正如上述,日本政府无法直接拉动半导体需求,因此出相关采购政策间接影响采购。主要行为包括强制政府与私人企业合营电子信息公司每年采购国产半导体达总采购量的80%、刺激家电产业来侧面提高半导体需求等。以日本电子计算机公司(JECC)为例,在政策支持下,JECC计算机采购量从1961年的300万美金升至1981年的23亿美金。足够大量的需求保障令日本电子产业发展初期在面对外国品牌攻击有了一定的自保能力。


经过十多年的铺垫,日本制造能力完成从“价廉物劣”到“价廉物美”转型,并依靠廉价劳动力获取大部分海外市场。从惠普公司1983年发布的一项DRAM芯片调查发现,1980年前日本芯片良品率是美国同等产品的5倍。与此同时,日本1960-1980年制造业平均小时工资为1.73美金而美国为3.8美金,日本仅为美国的约45%。


3)贸易保护为主的政策与资金支持。与美国类似,日本也出台一列相关政策,但更倾向贸易保护。代表性的为1957-1971年《电子工业振兴临时措施法》、1971-1978年《特定电子工业及特定机械工业振兴临时措施法》、1978-1985年《特定机械情报产业振兴临时措施法》。这些法案出发点1)从人才、资金、基础设备等为电子产业提供环境条件;2)限制外资,且海外产品市场占有率不得高于10%;3)以欧美为参照系,模仿学习再自研最新技术。这些法案的执行,令日本在完全拥有一流的自我研发技术之前,对幼稚产业(infant industry)的半导体发展起到时间和市场规模的缓冲。


3.1.3 抓住大型机时代对DRAM强力需求


得益于计算机的发明和普及,储存技术迅速发展,在摩尔定律下约每3年对DRAM需求翻倍。经过类似VLSI等项目发展,日本64K DRAM研发进度与IBM、德州仪器等美国公司持平,到了1985年256K DRAM研发进度赶超美国,日立与富士通率先量产上市。日本抓住大型机对基础存储技术的需求,以DRAM为切入点将日本半导体影响力辐射到全球。


3.2令人错愕的衰败


3.2.1 失去的“二十年”与美国的双重打击


到达巅峰之后的日本并没有延续辉煌,而是渐渐江河日下。首先,作为强力支持的整体经济,受到亚洲金融风暴与日本经济泡沫影响,在1998年后开始出现负增长。其次,失去主权与美国签订的双边协议影响逐渐凸显。第一,《广场协议》推高日元降低美金,从1985年后的几年内,美日汇率从240日元降低到120日元,令日本出口优势不再。第二是美日半导体双边协议的作用,从电子产业产值变化曲线可以看出,第一次受到明显影响在1993年,正是美国夺回第一的次年。在美国切断技术支援与强势打开市场双重药剂下,日本电子产品出口值从1985年开始快速下降,到2000年电子产品出口值约1.5万亿日元,不及1985年峰值的一半。 


3.2.2 对技术发展的判断失误,缺乏主动性


日本成功于DRAM,失败也在DRAM领域。沉迷大型机DRAM带来的成功忽略技术的改变,日本固执的将适用于大型机的DRAM技术深入发展,强调芯片的持续性与稳定性。但1980年后个人电脑、互联网等相继推出,以PC、移动手机为代表的消费电子时代到来,此时的芯片强调灵活、处理信息能力强等,并不要求非常长久的稳定性。1973年全球大型机出货量达到顶峰,之后慢慢萎缩而个人PC产值逐渐飙升,日本没有抓住技术需求变化主动进行产业调整,令韩国在同等领域以新技术超越。


3.2.3 韩国的崛起与固守的分工方式,缺乏灵活性


为分化日本实力,美国开始支援韩国与台湾。受到经济泡沫影响,银行低息借贷方式的筹资行为已不可行。加上市场份额逐渐被吞噬,固守IDM模式的日本企业负重累累,疲于投资再创新,“投资-技术创新-投资”逻辑线出现断裂,与竞争对手的差距被拉大,形成“技术差距-销量下降-无资金投资-技术差距扩大”的恶性循环。日本企业正是因为落后于市场的反应,被韩国夺走新型DRAM市场,被台湾依靠代工挤走更多制造份额。


4.韩国


韩国半导体在60年代外国厂商进韩建厂开始,利用当地廉价劳动力,进行简单的散件组装,技术非常低端,具有真正意义的发展在80年代,以韩国三星、LG、现代(2001年分离出为海力士)、和大宇(97年亚洲金融危机中破产)四大财阀开启。韩国抓住大型机到消费电子的转变期对新型存储器的需求,形成“财阀+政府+小企业”的国内产业结构。发展至今,韩国以22%(907亿美金)全球半导体市场份额成为仅次美国的半导体超级大国,三星更是超越英特尔成为全球第一半导体企业。区别其他国家地区以政府为主导(早期或者特定场景),韩国财阀的推动作用更为突出。主要原因为1)美日争霸期间,财阀主导的吸收模仿获得跨越式技术提升;2)财阀+政府联合,小企业依靠局面;3)不间断地对设备、材料、人才的投资。


4.1美日争霸期间的“学习-模仿-超越”,储备知识与技术


在归国教授姜基东带领下,韩国拥有了16K DRAM生产技术,但是基础依旧薄弱,想要继续研制64K DRAM非常困难,这决定了韩国无法自主生产需要借助外力。通过向美国购买技术、设备、海外学习并建立实验室,韩国4年内就实现64K技术跨越。之后将相同战略复制到256K、1M生产中,逐渐缩小与日本的差距。


1986年后,美国开始向三星、现代与其他八家日企提出技术版权诉讼,韩国与日本均以赔偿而失败收尾。不得不面对技术短板的韩国政府决定成立类似日本VLSI的国家4M DRAM项目研究组,包括政府研究院、三家财团与六所大学,3年内耗费2.5亿美金,其中政府拨款57%。但不同的是,韩国联合研究团队各自为政,政府领导能力并不强,更多起到的是基金调配作用,研发任务也是企业内部完成。经过前期知识铺垫与政府资金支持,三家企业相互独立、竞争研究,韩国DRAM技术大大提升,1994年全球第一推出256K DRAM,开启之后先人一步的DRAM战略。


期间,韩国芯片专利数量从1989年的708项激增到1994年的3336项,是其他国家总和的2倍之多,其中三星拥有2445项,现代拥有2059项。


4.2财阀主导,中小企业依靠的产业结构


在财阀攻克后,韩国对半导体的热情高涨,众多中小企业纷纷进入。由于技术、资金等先决条件形成的门栏,这些企业较难突破三大财阀,衍变成为三星、海力士提供材料、设备、副产品加工的产业链结构。韩国半导体市场形成核心技术创造、上游设备材料供应、海外终端需求的完整链条。


尽管企业之间多有竞争,但粗略来看,韩国半导体产业可以视作三星、海力士等头部财阀的IDM模式放大版,形成以财阀主导带领中小企业出口海外的行业策略。期间政府的作用多半在资金、政策环境等提供条件,领导能力不如其他国家。


4.3疯狂的对设备、材料、人才投资


半导体领域第一重要的为专业人才,第二就是材料设备,只有在这两方面大量储蓄才有可能实现技术升级。90年代日本在经济泡沫与美国双重打击下,多数企业已没有多余资金投入再研发,此时的韩国犹如饥饿的野兽,以重金疯狂吸引这些人才。正如NHK纪录片《重登顶峰,技术人员20年的战争》提到,即使如东芝一样著名日本领军企业,也遭受人才流失问题,其中70%被三星以三倍薪资挖走。


在政府基金、公司其他产业经营等支援下,韩国对半导体的投资逐年加大,即使全球半导体行业在09年金融风暴下不景气也持续加大投资力度。通过“投资-扩大生产-影响芯片价格”,韩国挤走众多竞争企业实现市场份额的进一步扩大。且因为2017年芯片价格的提升,三星反超英特尔成半导体第一企业。


5.中国台湾


Bloomberg BusinessWeek曾这么形容台湾的半导体事业,“在全球半导体产业的地位无可取代,如同中东石油在全球经济的角色”。从时间来看,台湾与韩国大约同时发展,在80年代台积电首创Foundry模式后,以代工切入迅速攀升国际地位。随着产业发展与技术提升,90年代以晶圆代工为主逐渐完善上中下游产业链。据统计,2017年台湾IC产业总产值27623亿新台币(约898亿美金),IC制造占49.5%,其中88.15%为晶圆代工,占全球代工市场的76%。台湾半导体区别于韩国的崛起方式主要因为1)抓住行业需求积极参与全球化分工;2)新竹园区聚集效应与海外人才的回流;3)包括工研院建立的政府政策、战略规划。


5.1全球化分工


类似韩国的发展路径,台湾依靠早期给在台建厂的美日厂商做基础低端加工起步,积累所需知识与技术。80年代末,抓住美国逐渐转向Fabless模式推行全球纵向分工的机会,将利润不高、投资金额大的芯片制造、封测转进岛内。初期,台湾在设计、制造、测试和封装四个环节都有相应发展,但最终与韩国不同的主要原因在于1)技术始终落后,当时在台的美日厂商愿意授权的仅为封测技术,缺少核心设计环节;2)韩国财阀可以依靠运营其他产业来给半导体行业提供资金支持,但台湾的中小企业仅从事半导体,90年代的两次芯片价格下跌对台湾都造成巨大影响。因此,无领军企业的台湾融资能力与抗压能力次于韩国;3)台积电foundry模式的成功具有意义性质的示范作用,岛内其他企业可以依照台积电复制成功。


全球代工模式可以迅速获得专利授权并打开市场,错开与美日产业链有效降低与强国的竞争。因此,台湾积极参与代工把产业链延伸到岛内,同时发挥生产成本优势规模经济,成功巩固了全球代工地位。


5.2政府政策、战略规划


台湾当局在半导体行业发展起到以下三方面作用:


1)技术引进与招商引资。最早的技术引进为1977年与美国RCA公司合作的7微米CMOS技术转让,并建立第一家半导体示范工厂,完成技术消化到实际生产能力。之后,通过民间技术转让来吸引民间资本投资再带动海外资本入岛,活化岛内产业资金来源、发挥引导聚集作用。


2)整体规划与政策支持。针对台湾当时技术与资金情况,最早提出“积体电路计划草案”。之后政府主导代工的发展方向,并在后期逐渐丰满其他产业环节,提出例如“两兆双星”的发展目标。在发展过程中,辅以人才优惠,高科技企业税收减免等大力度倾斜性扶持政策。据统计,台湾每年对创新技术的资助金额占总规划的20%以上。


3)建立工研院,实行技术指引与组织交流职责。1974年台湾效仿美国硅谷产学研模式建立电子工业研究中心,即工研院的前身。工研院主要职能为领头规划,加速人才与技术流通。此外,工研院还担任最新技术研发工作,例如1975-1979第一期专案计划的CMOS技术、1983-1987超大集成电路计划的1-1.5微米制造与封测技术等。通过自身技术研发或引进,实现生产能力后再转让给民间其他企业,提高台湾整体半导体技术。最重要的是,工研院还扮演孵化器角色,台湾第一家设计与制造公司联华电子(1979年)、全球最大晶圆代工厂台积电(1987年)、第一家8英寸生产线世界先进半导体公司(1994年)等均由工研院分衍出来。


5.3产业园区的聚集效应与人才回流


为了加强工研院影响能力、调整岛内经济结构,台湾当局1976年筹建以半导体为核心的新竹科技园区,并于1980年完成。首先,新竹园区从产业多方面吸引高科技企业来园区发展。管理方面,通过《科学工业园区设置管理条例》等进行专项规划管理;税收方面,园区规定新办企业在9年内可任选连续5年免征所得税,5年后每年营业所得税不超过20%;风投方面,开设政府“开发基金”,从1985到1990年共划拨24亿新台币设立种子基金,也鼓励例如宏大风险基金的民间投资。其次,发挥地理优势加强信息技术沟通、互相竞争来提高台湾整体核心竞争力。这点在台积电、联华电子、宏基等台湾半导体领头厂商驻入后愈发明显,从某个企业单纯的代工模式到产业链全环节分布,形成联合生产群。第三,海外人才的吸引、高校的合作提供丰富人才储备。海外人才方面,台湾当局1985年在硅谷设立办公室,监测学习先进技术的同时召集华裔工程师,台积电创始人张忠谋正是以此被请回台湾。1983-1997年,海外人才以平均42%增速回到台湾,得益于此,这段时间的台湾制程技术不断提升。高校方面,与台湾清华大学、台湾交通大学、台湾电子技术研究院、中华工学院等众多大学和研究机构合作,为新竹园区培养了一大批储备人才。


目前,新竹园区共487家企业,半导体相关企业占64.27%,销售额占比高达90%以上,仅集成电路一项就支撑起台湾半导体产业销售额的31.25%,其重要程度不言而喻。


6.对中国大陆的启示


6.1目前发展迅猛但技术自主能力不强,供需不平衡


中国集成电路发展势头凶猛。据数据统计,2017年我国集成电路产业销售额达5411.3亿人民币,同比增长24.81%。从产业结构来看,设计、制造与封测三大产业增速均高于去年同期。设计业占比逐年攀升,产业结构从“大封测-中制造-小设计”到“大设计-中封测-中制造”转型,产业链逐渐从低端走向高端,展现我国集成电路发展的突破。


我国需求供给不平衡不匹配现象仍然严重,且将长期存在。自2015年起,集成电路超越原油成为我国第一大进口商品,2017年出口金额663亿美金,较进口2579亿美金存在1916亿美金缺口,缺口比例(缺口额/总进出口额)长期保持50%以上。从产品种类来看,微处理器与控制器长期占45%以上进口额,说明我国在CPU、MPU等核心器件芯片的自主设计生产能力依旧薄弱,需要依赖于人。


随着经济与政策、相对廉价劳动力支撑,目前半导体产业逐渐向中国转移。正如开篇分析,半导体行业与宏观经济的强相关性将逐渐加强,我国每年的约6%GDP增速、例如集成电路产业投资基金等扶持政策都是推动我国集成电路发展的重要力量。以晶圆厂为例,据不完全统计,至2022年,包括海内外厂商约30座晶圆厂将在我国落地,主要聚集在上海、江苏和安徽一带。


6.2启示


从两次半导体产业转移展现出的各国与地区经验来看,以美国为代表的领导者,依靠扎实的基础研究、倾斜性支持政策、游戏制定身份来长期维持行业垄断地位。以日韩台为代表的追赶者,则从每次产业变迁抓住需求变动,依靠产业政策或财阀领导实现跨越式升级。其中,日本的失败在于国家主权依赖程度高与对技术发展判断失误。


对此,中国需要:


1)强有力的政府领导作用。对待半导体行业,我国需开展类似对待“两弹一星”策略,即从行业整体规划出发,辅以相关税收减免、资金调配、技术与人才引进等政策。尽管我国近年加强对半导体行业的重视、将半导体集成电路列入发展纲要,但具体细节仍不够规范,例如设计产权法规不够明确、高科技企业税收减免定义存在漏洞等,这些都需要政府加强指引。


2)统筹规划产业发展方向、技术路线,统一目标与认知。半导体产业庞大,涉及支线众多,一个企业甚至一个国家无法做到全精通,对于尚在发展阶段的中国更是如此。目前我国并无明确组织或机构部门统一规划,出现三大产业发展较为平均却无突出点无重心:设计方面,增长快但核心芯片知识产权掌握程度低、IP供给率低;制造方面,设备材料依赖于人、及技术落后造成的遏制发展现象已经明显;封测方面,技术与利润始终处于产业链低端。例如美国主攻高附加值领域、日本韩国DRAM起家与台湾专精代工,我国需从产业现状出发明确发展方向,可以先加强制造,提升上游材料设备来提高制程技术、减少海外依赖,提升自主产权设计为最终目标来制定每三年或每阶段发展目标,统一各界认知,凝聚产业力量。


3)对比全球,继续加强投资。由于我国半导体发展晚、技术落后,对比其他国家,我国无论在设计人才培养、制造材料设备购买、封测技术升级的花费金额更甚。尽管在国家集成电路产业投资基金带领下,对60多个项目投约1400亿人民币,拉动整个产业投资,但长期发展留下的技术差异仍显不够。第二,投资无主攻目标。与产业整体无主要规划发展方向相同,投资方面也显得杂乱无章。从产业最大的集成电路产业投资基金来看,尽管投资总额大,但每个项目平均金额并不高,而且产业性质决定了无法全面优质发展,需要根据发展实情调配基金。


4)大力度培养人才。目前我国集成电路人才面临数量低、质量低和海外流出高的“两低一高”问题。据《中国集成电路产业人才白皮书》统计,我国2017年集成电路从业人员规模约40万人,其中设计类14万、制造类12万、封测类14万。但每年仅12%集成电路专业毕业生最终进入行业就业,数量约3万人,远少于需求端数量。据估计,到2022年我国集成电路人才缺口将达32万人。其次,面对行业发达国家教育、人才积累,我国缺乏复合型、经验型人才,并每年流出一定比例。对于此,国家或学校需发挥主导作用,吸引海外优质人才的同时,加强“产学研”形式的学校、企业与政府的互动,培养本土人才,提高人才待遇、改善就业环境。


5)建立区域性整体提高竞争优势,发挥群聚效应。美国的硅谷、韩国的京畿道区与台湾的新竹工业园区在各自国家与地区半导体发展做出巨大贡献。目前,我国半导体产业主要集中在上海、江苏、安徽等地区,有向中部的四川、湖北迁移趋势,但仍没有形成大规模区域整体。对此,学习美韩台经验,利用地理优势加强地区性产业规划来发挥群聚效应,联合配套设施、政策、教育、企业带动知识与技术的高效流动、活化资金,先以培养某些龙头来带动整个地区产业发展,集中力量办大事。


6)坚持政策自主,保持发展独立性。80年代美日两次签订的半导体双边协议,正是因为日本在军事与国防高度依赖美国而无法保持政策的独立自主,令日本尚未实现技术全方位压制就遭受打击,严重拖累日本半导体发展。因此,面对此次美国借贸易战名义打压遏制“中国制造2025”为代表的高科技领域,我们要坚持自主底线,不能受到外界压力丧失自主权。