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    重讀日本半導體興衰史,中芯國際、寒武紀能學到什么?
    2021-10-28           作者: 網絡來源

    來源:砍柴網

    7月16日、7月20日,中芯國際和寒武紀分別登陸科創板。前者市值一躍超過6000億人民幣,后者在900億關口浮沉后也一度突破1000億人民幣。

    成立于2000年的中芯國際和僅有5歲的寒武紀在2020年7月交匯于科創板。

    有這樣兩個細節,中芯國際IPO獲得566倍超額認購,寒武紀股票漲幅一度達到272.81%。

    資本市場對半導體行業公司的追捧,使后者迎來了高光時刻。這高光,被認為是華為、中興等企業被美國制裁之下的星星之火,承載著國家及國人近二十年的半導體夢。

    而我們的鄰國日本,在1970-2000年的三十年時間里,其半導體產業經歷了崛起、鼎盛、衰落和轉型的產業周期,今天我們借中芯國際、寒武紀上市的機會,再重新讀一次日本半導體產業的興衰史。

    崛起

    西條都夫2019年曾在《日本經濟新聞》發表了一篇題為《日本半導體行業沒落的四個原因》的文章。

    文章稱,對平成年代(1989年至今)的日本來說“逃掉的都是大魚”。這句話中所說的大魚無疑是指“半導體行業”了。

    上世紀70年代初,日本半導體產業整體落后美國十年以上,日本國內半導體制造設備的國產化比率只有20%。

    70年代中期,日本本土半導體企業遭遇了兩件事情,令日本開始警醒。

    一是日本1974年在美國壓力下被迫開放其國內計算機和半導體市場。

    當時在技術上有著碾壓優勢的IBM如入無人之地,橫掃日本各大企業。僅僅用了一年時間就占領了日本計算機市場40%的份額,而日本的計算機廠商在國內市場的份額從1970年的60%下降為1974年的48%;

    另一件事是IBM公司開發的被稱為未來系統(Future System,F/S)的新的高性能計算機中,采用了遠超日本技術水平的一兆的動態隨機存儲器。

    而這個動態隨機存儲器就是大名鼎鼎的DRAM(Dynamic Random Access Memory)。

    面對技術上嚴重落后的現實和嚴峻的市場挑戰,日本開始反擊。

    1976-1980年,由日本政府牽頭發起了“VLSI聯合研發計劃”,相互競爭的東芝、三菱、日立、富士通、日本電氣這些大企業集中自己的優勢攻克技術難題,集中力量辦大事。

    “VLSI聯合研發計劃”主要在三個層面推動日本半導體產業發展:

    第一,資金。

    1976年至1980年,通產省補助金總支出為592億日元,其中用于支持VLSI項目研究的補助金支出為291億日元,占通產省補助金總支出的49.2%,而這四年VLSI研究協會的總事業費約為737億日元(約合2.4億美元,這不是一筆小數目,作為對比當時中國的外匯儲備只有1.8億美元);

    第二,人才配置。

    “VLSI聯合研發計劃”設立了6個聯合實驗室,分別攻關高精度加工技術、硅結晶技術、工藝處理技術、監測評價技術、裝置設計技術等核心工藝和技術;

    第三,人盡其才。

    VLSI協會根據相關技術的可市場化程度分配研究任務,對于通用性和基礎性技術,在聯合實驗室進行研發;對于技術的應用性研究則由企業在各自獨立的企業內部實驗室進行,這種安排即保證了企業間在集中攻關上的合作,又促進了企業在應用研究上的競爭。

    VLSI協會對于日本半導體產業的積極意義是空前絕后的。

    我們來看看它取得的豐碩成果:這四年中VLSI項目申請的專利件數達到 1210件(大約50%的申請來自于聯合實驗室),其中商業專利347件,共大約有600項獲得了專利權。

    成功開發出了VLSI所必需的微細加工技術、大口徑單結晶培育技術等結晶技術,理論設計、CAD等設計技術,膜形成、結點形成等工藝技術,元件、材料等的試驗評價技術等基礎技術,同時也開發了適用于這些技術的邏輯元件和存儲元件的制造技術。

    再看上文提到的存儲器,70年代中期日企的4K DRAM銷售額只占全球的10%,但在16K的DRAM中,由于NEC、富士通等奮起直追,日企的全球銷售份額擴大到了30%以上。

    在VLSI項目的推動下,日企率先將64K DRAM(1980年研制成功,比美國早半年)推向市場,以至日企的64K DRAM國際市場占有率攀升到了55%,超過了美國。

    VLSI 項目是日本“官產學”一體化的重要實踐,將五家平時互相競爭的計算 機公司以及通產省所屬的電子技術綜合研究所的研究人才組織到一塊進行研究工 作,不僅集中了人才優勢,而且促進了平時在技術上互不通氣的計算機公司之間的相互交流 、相互啟發,推動了全國的半導體、集成電路技術水平的提高,為日本半導體企業的進一步發展提供平臺,令日本在微電子領域上的技術水平與美國并駕齊驅。

    鼎盛

    日本半導體業的崛起以存儲器為切入口,主要是DRAM。

    到上世紀80年代,受益于日本汽車產業和全球大型計算機市場的快速發展,DRAM需求劇增。

    而日本當時在DRAM方面已經取得了技術領先,日本企業此時憑借其大規模生產技術,取得了成本和可靠性的優勢,并通過低價促銷的競爭戰略,快速滲透美國市場,并在世界范圍內迅速取代美國成為DRAM主要供應國。

    1982年,日本成為全球最大的DRAM生產國。

    這一年3月,NEC的九州工廠(當時的九州島有“硅島”之稱,占據了日本40%的半導體芯片產量),DRAM月產量為1000萬塊(約1萬片晶圓),到了10月,月產量暴增至1900萬塊。

    其產量之大,成品率之高(良率超過80%),質量之好,使得美企望塵莫及。與產量相伴的是,原來價格虛高的DRAM內存模塊,價格暴降了90%,一顆兩年前還賣100美元的64K DRAM存儲芯片,現在只要5美元就能買到了,日本廠商還能賺錢,美企由于芯片成品率低,根本無法與日本競爭,因此陷入困境。

    1982年,美國50家半導體企業秘密結成技術共享聯盟,避免資金人力重復投資??墒沁@些合作項目剛剛啟動,就傳來了壞消息。美國剛剛研制出256K DRAM內存,而日本富士通、日立的256K DRAM已經批量上市。

    1983年間,銷售256K內存的公司中,除了富士通、日立、三菱、NEC、東芝之外,只有一家摩托羅拉是美企,光是NEC九州工廠的256K DRAM月產量,就高達300萬塊。

    日本廠商開出的海量產能,導致這一年DRAM價格暴跌了70%。

    內存價格暴跌,使得正在跟進投資更新技術設備的美企,普遍陷入巨額虧損狀態。難以承受虧損的美企,紛紛退出DRAM市場,又進一步加強了日本廠商的優勢地位。

    1980-1990年間,在日本廠商的圍追堵截下鎂光、摩托羅拉被迫退出DRAM市場,德州儀器也被NEC奪走了行業老大的位置,日本半導體產業走上了頂點。

    1989年,日本芯片在全球的市場占有率達 53%,美國僅37%,歐洲占12%,韓國1%,其他地區1%。

    還有另外一組數據同樣可以說明問題:70年代初,半導體企業前十中沒有一家日企。到1988年,全球20大半導體廠商中,日本占據了11家,美國只有5家,三星排在第18位。1990 年,日本半導體企業在全球前10中占據了6席,前20中占據12席。

    受益于半導體產業發展,日本傳統制造業如電子計算器、家電、照相機、汽車、手機(功能機)、顯示器等產業相繼崛起,幾乎每一個都對美國相應的產業造成不小的沖擊。

    可以說,在半導體芯片的引領下,整個日本制造業實現了騰飛。

    衰落

    在日本半導體產業處于鼎盛時期的八十年代,天空中飄來了一朵烏云,大洋彼岸的美國終于開始重視這只看上去一直很聽話的小弟了。

    在競爭中艱難生存的美國芯片公司,暫時擱置了各自的利益分歧,成立了美國半導體行業協會SIA。

    英特爾創始人羅伯特.諾伊斯(左)聯合其它硅谷企業成立了SIA,目標是應對日本半導體企業的競爭

    這是舉國體制和舉國體制的對抗。

    SIA游說了國會議員,讓美國政府給芯片產業減稅,所得稅稅率從49%降至28%,還鼓勵養老金進入芯片業風險投資。

    SIA還拿出了在21世紀美國屢試不爽的絕招——狀告日本芯片企業威脅美國國家安全:

    1978年,《財富》雜志發表了日本在硅谷從事間諜活動的報道;

    1983年,《商業周刊》發表了11頁主題為“芯片戰爭:日本的威脅”,通過媒體在輿論上造勢,渲染日本科技威脅論,從而引導民間的反日情緒;

    美國政府動用了法律手段,抓了東芝的高管,處罰東芝。

    美國人砸日本的半導體收音機發泄不滿

    1986年初,美國裁定日本DRAM存儲芯片存在傾銷,要征收100%的反傾銷稅。

    最終在1986年9月,迫于壓力日本通產省和美國商務部簽訂了第一次《美日半導體協議》。

    根據這項協議,美國暫時停止對日企的反傾銷訴訟。但作為交換條件,要求日本政府促進日企購買美國生產的半導體,加強政府對價格的監督機制以防止傾銷。并且美國半導體產品,在日本市場占有率,可以放寬到20%。

    80年代末,當日企還在忙于追蹤大型機、沉迷于25年保質期DRAM的時候,PC產業經過長時間的醞釀終于蓬勃發展起來了。

    PC 取代大型機成為計算機市場上的主導產品,也成為DRAM的主要應用下游,而此時包括NEC、日立、富士通等在內的日本制造業企業,都是垂直一體化的整合分工模式,他們同時生產半導體和整機。

    除了日本的整機廠商,沒有多少PC公司,愿意把日本人用25年保質期技術生產出來的昂貴DRAM裝在自己的機子里面,因為個人電腦的壽命不過5年時間,也不需要多高的品質。

    而與此同時,一水之隔的好鄰居韓國開始發力,以三星、LG和現代等為代表的韓企開始加大投資,實現了超車,在日本半導體行業最擅長的DRAM領域打敗了當時的世界第一NEC(1992年)。

    李健熙抓住日美進行芯片戰的絕佳機會,帶領三星半導體成功逆襲上位

    不同于大型主機對DRAM質量和可靠性(可靠性保證25年)的高要求,PC對DRAM的主要訴求轉變為低價。

    DRAM的技術門檻不高,韓國、臺灣等地通過技術引進掌握了核心技術,并通過勞動力成本優勢,很快取代日本成為了主要的供應商。

    1998年韓國取代日本,成為DRAM第一生產大國,全球DRAM產業中心從日本轉移到韓國。

    90年代中后期,Windows系統出現、海外廉價機和互聯網普及,摧毀了在封閉溫室下生長的日本PC產業,這對于日本半導體產業也是一個歷史性的轉折點,在即將到來的個人電腦時代,日本半導體企業失去了最后的籌碼。

    當然,日本半導體行業的敗退,依舊離不開美國。

    1986年第一次《美日半導體協議》雖然沒能對日本半導體行業產生立竿見影的效果,但5年后的1991年6月美日又坐到了談判桌前,再次簽署了為期五年的第二次《美日半導體協議》。

    第二次《美日半導體協議》內容大致與第一次類似,但就在這次協議的有效期內,發生了幾件重要的事。韓國奮力追趕終于在1992年登頂,Intel的奔騰(Pentium,1993年)發布,“Wintel”聯盟開始橫掃,日本半導體行業的內憂外患聚齊了。

    等到1996年7月第二次《美日半導體協議》到期時,日本已經經不起這樣折騰了,所以強烈反對續約。但糟糕的是,一年后,席卷全球的亞洲金融危機爆發,東南亞和東亞首當其沖,日本當然沒能幸免,這成了壓垮駱駝的最后一根稻草,日本半導體行業的下坡路不可避免了。

    1993年日本將半導體市場份額第一的寶座還給了美國,從此再也無緣登頂。

    1995年,全球10大半導體公司中日本占4家,Intel躍升為全球半導體公司龍頭,NEC、東芝及日立退居2、3、4名,三星電子及現代電子擠進前10。

    1998年,韓國取代日本,成為DRAM第一生產大國,全球DRAM產業中心從日本轉移到韓國。

    1999年,富士通宣布退出DRAM芯片市場,曾經獨霸天下的NEC、日立、三菱則將各自的DRAM部門合并成立爾必達(Elpida)。

    2000年,日本DRAM份額已跌至不足10%。2000年,僅有NEC、東芝及日立進入全球10大半導體公司排行榜,三星電子僅落在東芝及NEC之后排名第4,Intel全球第一。

    轉型

    為挽回半導體產業的頹敗之勢,日本半導體企業首先進行了結構性改革。除Elpida外所有其他的日本半導體制造商均從通用DRAM領域中退出,將資源集中到了具有高附加值的系統集成芯片等領域。

    Elpida于2012年宣告破產,2013年被鎂光購并,標志著日本在DRAM的競爭中徹底被淘汰。

    但回過頭我們再看日本半導體行業的實力,就要從最近幾年的新聞入手:

    2016年7月,日本軟銀以234億英鎊(約合310億美元)的價格收購英國芯片設計公司ARM;

    2019年7月,日本對韓國進行了半導體材料的出口限制,引發韓國半導體行業地震……

    出現這樣的情況,就能看到日本半導體行業的現狀:相比八十年代全盛時確實衰落了很多,傳統強項存儲器幾乎完全失守,但仍是國際半導體市場中一支重要的力量,在產業鏈上游比如半導體材料和設備等領域占據了相當的優勢。

    先看半導體材料。

    芯片生產過程中需要19種必備材料,其中多數均有極高技術壁壘。而日本在硅晶圓、合成半導體晶圓、光罩等14種重要材料方面分別占據超過50%的份額,在全球半導體材料行業長期保持著優勢。

    在集成電路生產過程中,要利用光蝕刻技術將圖形復制到晶圓上,就要用到光罩(光掩膜版)的原理。

    而全球最大的光罩生產商是日本凸版印刷株式會社,至今已有119年歷史。這家公司和美國Photronics、大日本印刷株式會社(DNP)三家占據了半導體光掩模市場80%以上的份額。

    在靶材方面,全球前6大廠商市占率超過90%,其中前兩大是日本廠商 Shin-Etsu和SUMCO,合計市占率超過50%。

    使得光刻工藝得以實現選擇性刻蝕的關鍵材料——光刻膠,目前其核心技術被日本和美國企業所壟斷。JSR是全球最大的光刻膠生產商,另外信越化學、TOK、SUMCO均處于行業領先地位,日本占據了全球光刻膠產量的90%。

    用于智能手機顯示屏的含氟聚酰亞胺(PI),其中日本生產的含氟聚酰亞胺同樣占據了約全球產量的90%。值得一提的是,氟化氫目前中國國產化較高,高工工業研究所的調研報告顯示,2018年中國氟化氫生產線有103條,年產能達192.1萬噸,實際產量158.8萬噸。

    然后我們再來看看半導體設備。

    在半導體設備領域,核心裝備集中于日本、歐洲、美國、韓國四個地區,Gartner的數據顯示,列入統計的、規模以上全球晶圓制造設備商共計58家,其中,日企最多,達到21 家,占 36%。

    其次是歐洲的13家、北美10家、韓國7家,中國4家(上海盛美、上海中微、 Mattson(2017年亦莊國投收購)和北方華創,僅占不到 7%)。

    美國半導體產業調查公司VLSI Research發布2018年全球TOP 15半導體生產設備廠商,其中日企獨占7席(日本第一的半導體設備廠商東京電子(TEL)高居第三,僅次于美國Applied Materials和ASML)。

    半導體領域必備的26種設備中,日本企業在10種設備所占的市場份額超過50%,在電子束描畫設備、涂布/顯影設備、清洗設備、氧化爐、減壓CVD設備等重要前端半導體設備幾乎壟斷市場,在后端半導體設備,日本的劃片機和成型器也是世界第一,此外日本還是三款重要后端檢測設備的霸主。

    結語

    縱觀日本半導體行業從1970年代至今,其實有一些經驗是可以學習的。

    起步低不代表長不大。

    日本的電子制造業正是從收音機開始做起,最后在半導體技術方面躋身全球一流。

    我們一直對當前中國電子制造業所從事的低端生產存有偏見,認為中國電子制造業就是以富士康為代表的產品組裝,中國電子制造業的精密制造就是生產以線束連接器為代表的低端產品,但日本例子告訴我們起步低但依然可以通過后續追趕而 在全球市場擁有一席之地,中國智能機行業近年來的發展也證實這一可能。

    模仿可以短期內獲得最大的進步。

    日本DRAM行業發展壯大的歷程告訴我們,通過模仿龍頭產品可以短期之內獲得與龍頭同臺競技的資格。

    此外,韓國DRAM也是靠模仿日本而壯大,相信中國電子制造業在創新型模仿的戰略下并結合自身實際,可以迅速趕上龍頭國家。

    舉國體制是發展高精尖制造業的有效方式。

    1976年日本的“VLSI 技術研究所”共耗資720億日元,其中政府出資320 億,企業界籌集400億日元,最后日本得以先于美國研發64k集成電路、256k動態儲存器,完成對美國技術的趕超,奠定了日本在 DRAM 市場的霸主地位。

    包括韓國在內也采用舉國體制發展半導體,1983年韓國公布“半導體工業振興計劃”,韓國政府共投入了3.46億美元的貸款,并激發了20億美元的私人投資,促進了韓國半導體產業的發展。

    當前中國也開啟了扶持半導體大基金計劃,已經開啟了第二期的投資,日本和韓國的例子告訴我們對于落后者而言,舉國體制是發展高精尖制造業的有效方式,中國的半導體大基金計劃對半導體的發展有實實在在的推動作用。

    責任編輯: 蔚 藍 文章來源:
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