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中國3代芯片換道超車超越美國四方聯盟圍堵 ☆作者:黃杰

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2022/8/15

美國召開四方芯片聯盟和通過《芯片與科學法案》,試圖繼續對中國芯片製造業進行全方位圍堵,使中國「缺芯少魂」,打擊電子、通訊、手機產業的發展。面對「逆全球化」,中國換道超車,放棄研發第二代芯片,改為主攻第三代芯片。中國的產業布局悄悄地發生了變化,不再只追求高利潤的高新行業,而是追求供應鏈安全的行業,加速半導體自主研發,讓中國高科技發展之路繼續邁步前進。


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中國發展第三代芯片技術:換道超車,兼攻能源汽車、光伏產業、風電、5G宏基站、高鐵、自動駕駛、射頻器件的自主化研發發展(圖:ImagineChina/iStockphoto/本刊美術部電腦合成) 

美國日前召集日韓台組成四方芯片聯盟,對中國芯片製造業進行全方位圍堵,中國芯片相關產業恐怕也會像四年前的華為、中興那樣被一劍封喉,上游產業和技術被「卡脖子」,顯然在短時間內會陷於劣勢。美國自二零一八年以來利用橫蠻手段壓制中國高科技產業崛起,使中國「缺芯少魂」,對電子、通訊、手機等產業進行了第一波打擊。

中國選擇換道超車,依靠傳統智慧,「他橫任他橫,明月照大江」,簡單來說就是「你打你的,我打我的」:既然美國的四方芯片聯盟意圖對電子、通訊、手機等產業進行二次打擊,那就讓他進行二次打擊,中國只要在其他領域找到新的增長點,即可以在其他戰場上彌補損失。

因此,中國積極攻堅現時剛剛起步不久、競爭比較沒那麼激烈、技術差距較少的第三代半導體或芯片。第三代半導體的應用範圍為新能源汽車、5G宏基站、光伏、風電、高鐵、自動駕駛和射頻器件,這些產業同時也是往清潔能源的經濟模式發展,未來潛力巨大,發展方向理想。

中國科技換道超車,在科技業「逆全球化」趨勢下率先在新領域走向技術自主,這樣美國可以用來制裁和控制中國第三代芯片發展的手段和技術也十分有限,中國新興科技產業正迎來追趕和發展的良機。

現時,新興科技產業的重要支柱為新能源汽車和光伏產業,根據中國海關今年前七月的統計,新能源汽車同比出口增長為百分之五十四、光伏產業同比出口增長百分之一百一十三,帶動全國七月份出口激增百分之二十三點九。比亞迪力拼特斯拉,中國光伏產業壓倒德國,中國在第三代芯片的下游產業中已站穩住腳,未來準備加速發力。換道超車,突破封鎖。

換道超車的邏輯

經歷美國當局對中國科技產業的連環打壓,中國的企業也換了一個思維,不再害怕,兩手準備,不再只追求高利潤的高新行業,而是追求供應鏈安全穩定的行業。因此,可以察覺到在二零一八年科技戰以後的幾年期間,中國的產業布局悄悄地發生了變化。過往聲名大噪的電子行業、手機行業,現在都是以廉取勝,就像小米手機那樣,開始使用國產芯片;反而在其他相對不需要那麼多精密儀器的行業,像新能源汽車和光伏產業,卻得到了長足的發展。

這源自中國獨到的產業意識,既然第二代芯片被美國封鎖或本身存在巨大的政治及其他不確定性,那麼不如另覓新徑,向第三代芯片進發,至少在其他能追趕上國際水平的領域先追上,並大量地擴大生產,盡量做到自給率越高越好,並且在這些其他的行業取勝,彌補了在美國打壓之下電子和手機等行業的巨大損失。

中國的科技業以材料來劃分第一代、第二代和第三代芯片,它們之間是半導體材料的差異,各自在不同的領域之中有其用處,並不是說第二代就能取替第一代,或第三代就能取代第二代。(有關三者的特性,見左方附表)現時國際競爭最激烈的第二代芯片的材料是以砷化鎵為主,它的原材料比較稀缺,對環境造成大量污染,主要用於製造高頻率、大功率電子器件上,即是電子、電腦、手機等產品。相反,第三代芯片的原材料是碳化矽(台港譯:碳化銈)和氮化鎵為主,比第二代要求在更高溫、更高壓的環境下運作,主要應用於新能源汽車、5G宏基站、光伏、風電、高鐵、自動駕駛和射頻器件。

也就是說,從第二代到第三代芯片的轉換,意味著中國的產業將從電子、手機等產業向新能源汽車、光伏等產業轉移。目前第三代芯片處於研發初階段,成本較高、良品率低。因此中國和國際上其他龍頭大廠是在接近同樣的起跑線上起步,而一旦中國掌握了這個技術的生產,中國的新能源汽車和光伏業則大有可為。

第三代芯片的材料碳化矽和一般的矽差異在於耐壓耐熱,這讓碳化矽產品的體積只需原來矽產品的十分之一,能量損失減少了四分之三,成為製造高壓及高頻器件新的良好材料。碳化矽材料能夠把產品體積做得越來越小,能量密度越來越大。簡單來說,它是電動車、充電樁極佳的材料。可以說需要高壓和高頻的地方,都是碳化矽潛在替代的市場。尤其是對電力轉換需求頻繁、使用條件苛刻及對產品體積和重量等有要求的產品,碳化矽優勢更加明顯。

例如,電動車及充電樁就需要用到碳化矽。電動車的變流器是碳化矽產品最為主要的市場,在相同功率下,碳化矽產品封裝尺寸更小,損耗更低。在動力電池性能提升已經有限的情況下,碳化矽產品可以替電動車延長行駛里程、縮短充電時間及增大電池容量。

特斯拉是全球第一家將碳化矽應用於商用車的廠商,「Model 3」採用了意法半導體生產的二十四個碳化矽組件。隨後比亞迪也迅速模仿,在「漢EV」上使用了自主研發的碳化矽組件。未來隨著碳化矽材料成本的不斷下降,將有更多車型使用碳化矽。碳化矽也可應用於新能源汽車充電樁,可以減小充電樁體積,提高充電速度。

又例如,光伏逆變品亦會用到碳化矽。光伏發電系統中,使用碳化矽造成的光伏組件,轉換效率可從百分之九十六提升至百分之九十九以上,能量損耗降低百分之五十以上,設備循環壽命提升五十倍,從而能夠縮小系統體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產成本。

3代半導體發力

因為新能源汽車、光伏產業在「碳中和」的大勢所趨之下有極大的發展潛力,下游產業的需求十分強勁,這使得碳化矽半導體的需求五年複合增長率達百分之一百,逼近百億美元。

就在美國通過《芯片與科學法案》的同時,中國國內市場認知到芯片市場自主創新需求迫切,半導體設備、材料急劇上漲。八月一日至八月五日,半導體材料板塊漲幅達百分之十七點二。

中航證券分析指出,隨著越來越多新能源車採用碳化矽產品,其替代矽基產品的過程已經展開。例如特斯拉和比亞迪都已採用碳化矽芯片作為核心功率器件。豐田、大眾、本田、寶馬、奧迪等汽車企業都表示有意將碳化矽產品作為未來新能源汽車電驅系統的首選方案。

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比亞迪「漢EV」電動車:使用了中國自主研發的碳化矽組件 

中國政府亦將碳化矽產業發展列入「十四五」規劃,國內產業鏈公司也已從多個細分領域展開研究,獲得很多重要的成果。多家上市公司在第三代半導體領域的布局力度、技術研發和產品創新都有良好表現。

斯達半導公司表示,新能源汽車使用的碳化矽產品開始大批量裝車應用,公司新增了多個使用全碳化矽MOSFET模塊800V系統的主電機控制器項目。露笑科技公司亦表示,六英寸碳化矽晶圓現在已經小批量供貨,預計今年年底能實現月產能五千片,下年四月份左右能上月產能萬片;該公司日前亦披露了將新增年產二十四萬片六英寸晶圓的生產能力。天岳先進公司亦在七月公告,獲得訂單銷售六英寸導電型碳化矽晶圓產品,預計含稅銷售三年合計金額為十四億元人民幣(約二億美元)。同時,天岳先進也正推進上海臨港公司項目建設,作為公司加大導電型晶圓規模化、產業化建設,以適應未來巨大的電動汽車、儲能等市場的需求。

二零一八年四月十六日,美國時任總統特朗普對中國發動科技戰,美國商務部禁止美國企業向中國的電信設備製造商銷售零件,意圖打擊中國高科技產業崛起。同年六月七日的《二零一九年國防授權法案》進一步擴大制裁內容和範圍,影響到美國以外地區。跨國封殺之下華為、中興兩大巨頭被一劍封喉,很多中國人也歷歷在目,事件直接影響到中國高科技產業整體發展的底層邏輯和結構性趨勢。

科技戰帶來逆全球化

自此,中國科技業「缺芯少魂」,「芯」就是指芯片,因此被迫開始準備走上自主的道路,不能再依靠過往數十年全球化跨國分工的邏輯,可以說美國發動的科技戰本質上就是「逆全球化」。逆全球化在疫情、原材料缺乏和供應鏈斷鏈下嚴重加劇,芯片價格因此水漲船高,技術掌握在少數龍頭企業手上,形成一個極為扭曲的近壟斷結構。這種逆全球化拖慢了全世界的科技發展,但美國不惜以此為代價,以政治凌駕經濟發展,卻還讓很多反華分子叫好,扭轉了過去數十年全球化貿易帶來的進步。

二零二二年八月九日,美國總統拜登簽署了兩會剛通過的《芯片與科學法案》,推出了逾三百九十億美元的補貼和援助,芯片企業和軍工巨頭(洛克希德.馬丁)也出席簽署儀式。八月十日,美國各大半導體設備商也已經普遍收到了美國商務部針對十四納米以下先進製程生產設備對中國出口禁令。很顯然,對華第二波科技打壓已經到來。

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拜登簽署《芯片與科學法案》:再度限制中國半導體工業的發展(圖:歐新社) 

芯片國產化剛起步

和二零一八年一樣,很多台港媒體關注美國的芯片法案和對華制裁事件,但是中國國內意見就相對平淡了一些,一來畢竟已經是第二次,大家也預視到它的到來,而且主要受影響的產業和二零一八年第一波制裁略有重複之嫌,已經沒有了「驚喜成份」;二來是因為在科技業逆全球化的趨勢之下,中國芯片產業早已經不能依靠全球產業分工的態勢,被迫走上自主和進口替代的道路,發展出國內完整一套的生產鏈。

但是中國傳統芯片的自足率依然很低。二零一九年後,中國向本國芯片「大基金」投入二千零四十一億人民幣(約三百億美元),在二零二一年第一季自足率才首次突破百分之十。近年,中國大陸企業開出暴利向台灣工程師挖角,估計有過千的台灣工程師已經前往中國大陸發展,其中比較知名的有梁孟松和蔣尚義,二人都曾是台積電的高層,其中梁孟松亦曾任三星高層,在行內影響力巨大。《華爾街日報》更說梁「協助中國大陸高階芯片夢」。

在台灣人才的幫助下,中國積體電路設計市場產值達四千九百億人民幣(約七百二十億美元),年增百分之二十,主要受惠於北京政府對政策的引導。另外在二零二二年五月,中韓貿易首次出現韓方逆差(按韓國海關統計),因為中國對韓國出口激增百分之四十點九,其中百分之二十是半導體產品,可見中國在中低端半導體產品具有較強的成本優勢,並且已經成功起步。韓國媒體形容這是中國企業的「人海戰術」,確實,中國經濟的優勢就是它人口基數和市場需求極為龐大,在大體量大內需的情況底下,企業的生存空間稍大一點,不需要做到頂尖也能獲利。

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蔣尚義(左圖):前台積電高層、梁孟松(右圖):前三星高層 

科技戰時經濟學

雖然說在美國的步步進逼之下,中國傳統芯片業不至於完全停擺,仍是有相當的生存空間,但是已經大大壓縮了下游產業的盈利空間。這是因為在一個由逆全球化所造成的封閉產業鏈之下,有著和平常不一樣的經濟原理。在科技戰之下,上游產業(光刻機、材料、設計、自動化機械等)的價值被嚴重放大,因為沒有了上游產業,整個產業鏈就斷鏈了,整條下游產業鏈將會失去。因此一顆芯片的價值並不是在於它在市場上的售價那麼簡單,而是在於整條產業鏈。這就是為甚麼中國芯片欠缺基礎技術將會是一個價值無可估量的致命傷,會延伸影響到多個產業。

現時被美國「卡脖子」的主要是第二代芯片,其對應的下游產業主要為電子、通訊、手機等。這就是說,中國的電子設備行業將會受到巨大打擊,延伸至納米技術、量子計算和人工智能等行業都會受到影響。而這個憂慮也反映在中國如今的產業表現上,至今年七月份,據中國海關統計中國出口機電產品增長放緩至百分之十點一、自動數據處理設備出口增長只有百分之四點四、手機出口增長更只有百分之二,相比起其他傳統產業以產增幅算很少,如勞動密集型產品出口增長有百分之十五點五,其中服裝及衣著出口增長百分之十三點五、紡織品出口增長百分之十一點九、塑料製品出口增長百分之十六點三。可以說如今(第二代芯片)科技產品的市場增長已大不如前,甚至比鋁材、糧食、箱包、鞋靴等更低。

主攻低端的短缺經濟

這就是美國發動的科技戰的恐怖之處:中國政府近年一直大力倡導高質量發展、高科技發展,但是如今失去了最先進的芯片,出口競爭力一夜之間大跌。當然,就如匈牙利經濟學家科爾奈(Janis Kornai)形容封閉的蘇聯(東歐)經濟時出現的「短缺經濟」(Shortage Economy)一樣,很多的電子產品也不一定要做到最先進才最快搶佔國際市場上的銷售額,它可以「利用替代品」去滿足內需和針對國際上中低端的市場。就像小米最新低調發布的Poco C40手機,選擇不用高通芯片、不用聯發科芯片、甚至不用國產的麒麟芯片,而是使用上海半導體製造商領盛科技的十一納米JR510芯片,售價不足一千元人民幣(約一百五十美元)。在科技封鎖之下,國產電子產品「利用替代品」的現象將會越來越常見。

中國電子產品、手機走向中端化,將會是在科技卡關底下的新常態。但是這並不代表中國的高科技發展之路就此完結。中國的新能源汽車、光伏產業、5G宏基站、風電、高鐵、自動駕駛和射頻器件將會在未來三至十年內隨著第三代半導體和芯片的技術變得自主和成熟而帶動中國整體經濟發展。這是在美國技術封鎖而中國無法在第二代芯片的下游產業和歐美韓日等科技強權爭強的結果。無疑這將會為中國帶來一定的經濟打擊,但同時中國亦有長遠的計劃、新興的產業準備蓄勢待發。這一個交換或許也並非完全是壞事,因為當中國的新興科技產業再次崛起的時候,它將會是完全自主的;另外就是現時的半導體對環境污染嚴重,使用矽基的電動車也並不是真的那麼環保,因此第三代半導體對於「碳中和」、環保等需求來說很大機會會變成主流的必需品。

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中國太陽能光伏能源板:利用第三代芯片運作(圖:ImagineChina) 

 

 亞洲週刊  2022年33期 2022/8/15-8/22

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