佩洛西在台唯一没有公布的密会 正是美国焦急的最大软肋
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佩洛西在台唯一没有公布的密会 正是美国焦急的最大软肋

7月2日,美国众议院议长佩洛西及国会议员与获得通过的《芯片和科学法案》合影。图源:美联社。

7月2日,美国众议院议长佩洛西及国会议员与获得通过的《芯片和科学法案》合影。图源:美联社。

✪ Shubham Dwivedi | 美国乔治城大学

✪ Gregory D. Wischer | 美国乔治城大学

✪ 林西东(译) | 文化纵横新媒体

【导读】据台媒报道,佩洛西窜访台湾期间,一个重要行程是秘密会见台积电董事长,讨论美国国会刚刚通过的2800亿美元《芯片与科学法案》(CHIPS and Science Act),其中520亿美元将用于补贴美国半导体制造业。法案还包含若干地缘政治条款,限制受补贴厂商的投资和与“国外实体”的技术合作。

本文指出,这一芯片法案偏重芯片的研发和增产,却严重忽略关键原材料的供应问题。作者以中国稀土为例,强调美国芯片制造所需的原材料,几乎完全依赖东亚,这对美国意味着极大的市场风险和地缘政治风险。由于这些关键原材料尚无替代品,其产能一旦过分集中,将增加美国原材料供应中断的风险。作者尤其指出,中国既在芯片制造领域与美竞争,又是矿产、电子特气等一些关键材料的主供应商,而且未来还将扩大产能。这使博弈形势更加复杂。作者分析,美国也想扩大关键原材料的本土产能,但要解决这个问题并不容易。美国劳动力成本更高,原材料生产的启动时间过长,而且芯片制造厂为了避免原材料出现杂质,通常不愿更换新供应商。而原材料生产还面临环保压力。这些因素都促使美国本土厂商更倾向于海外采购。

如今美国欲拉拢日本、韩国和中国台湾构建芯片四方联盟(Chip 4),其用意不言自明,但能否真正实现其目的,恐怕还有诸多变数。

文章原载National Interest,原题为《关键原材料事关美国半导体供应链的成败》,由文化纵横新媒体编译首发,仅代表作者观点,供读者参考。

关键原材料事关美国半导体供应链的成败

世界上最先进的半导体——先进制程逻辑芯片——是人工智能、量子计算、机器人以及先进无线网络等新兴“必争”技术的基础。这些技术在维护美国国家安全方面有着巨大潜力,这一点毋需说明。然而美国芯片制造所需的原材料,几乎完全依赖东亚,这对美国意味着极高的市场风险和地缘政治风险。虽然美国政府通过芯片法案,试图向半导体产业注入520亿美元并解决芯片供应的各种薄弱环节,却忽略了半导体制造所必需的矿产、工业气体、化学制剂等关键原材料的重要性。

关键原材料为何重要?

要制造先进制程逻辑芯片,至少需要三百多种原材料,矿产、工业气体和化学品在数量上仅占很小一部分,却有着举足轻重的作用。美国半导体行业协会对此有着更为直接的说法,“这些关键原材料在多数情况下尚无替代品,因此安全且持续的材料供应,对半导体生产至关重要。”国际半导体产业协会(SEMI)对原材料市场的评估高达404亿美元。该协会指出,鉴于芯片需求猛增,原材料需求也随之增加,这一数字势必扩大。

目前,中国供应全球半导体市场13%的原材料,而东亚其他地区占比约57%,美国占11%。考虑到市场和地缘政治风险,这种压倒性的集中,使得美国原材料供应被中断的可能性大增。由于芯片需求猛增,原材料供应商面临增产压力,同时也面临被制造商抢夺的局面。因此即便原材料按计划扩产,也不足以满足未来全球对关键原材料的需求。同时中国的情况也使事情变得复杂:中国既在芯片制造领域与美竞争,同时又是一些关键材料的主要供应商。正如美国安全和新兴技术中心所警告的那样:“中国公司是原材料的主要供应商,而美国原材料严重依赖进口,国内产能不足。”

(台积电董事长对外放话:“没人能武力控制我们”)

(台积电董事长对外放话:“没人能武力控制我们”)

中国、中国台湾、韩国、欧盟和美国都试图提升原材料产能。例如,2019年韩国宣布对原材料、组件和设备投资50亿美元。与此同时,中国主要原材料生产商,比如科华微电子材料公司,也在积极扩大业务和在美销售。

但是美国,相较之下,在解决这个问题上面临严峻挑战。美国的劳动力成本相比外国竞争对手高 50%,而原材料生产的启动需要2-15年不等。更令美国担忧的是,原材料的生产,面临杂质风险,这使得先进芯片制造厂通常不愿更换新的供应商。

因此,任何提升美国国内原材料产能的举措,都必须包括政府实质性的激励措施。

矿产:中国掌控着重要份额

矿产对于半导体制造的重要性不言而喻。其中最常用的是硅和砷化镓。单晶硅一直是基础半导体原材料,但化合物砷化镓因其优良的结构特性,正越来越多地取代硅。其他相关矿物,如稀土元素和钴,也扮演着关键角色。而芯片的扩产,导致这些矿物的需求水涨船高。例如,仅在2019年至2020年间,钴的需求就增长近30% 。从工艺制造的角度看,新型化合物是提高半导体器件性能和可靠性的必要条件,而新型化合物的商业化也促进了市场对其他矿物原料的需求。

多重压力之下,矿物供应链已变得紧张起来。后疫情时代的经济复苏,推动各个行业对矿物原料的需求,致使这些原料的生产成本和交货时间激增。自2020年初以来,钌和铱等原料需求增长近三倍,铜、钴和铝的价格也一路飙升。大量原材料工程受新冠疫情影响而被迫停产,也是促成全球供应链紧张的原因之一。就在2021年,受中国硅原料减产影响,从8月到12月,硅价格上涨了300%。在半导体产业链中,任何类似的生产中断都可能导致价值数亿美元的重大损失。由此可见,对于当下需求量暴增的电动汽车行业来说,如果这种供应风险持续存在,对可再生能源技术的影响必然十分严峻。

从另一角度来看,美国所依赖的外国矿产资源来源相对单一, 这也是美国半导体供应链的危险之一。2018年,美国地质调查局将35种矿物列为“对美国经济和国家安全至关重要的矿物资源”。其中30种矿物直接影响半导体制造,其中23种矿物的美国进口依存度超过75%,其中 12 种对中国的进口依存度为100%。截至2021 年,中国生产了全球60%的稀土资源,而美国仅生产15%。2017年至2020年间,中国是美国稀土进口的主要来源地,占78%。

因此,中国对于半导体矿产的占有,构成重大的地缘政治挑战。美国认为,中国已经表现出将其矿产市场影响力作为“武器”的意愿。在2010年的外交争端中,中国明确禁止向日本出口稀土资源。而后在2019年的中美贸易战期间,负责监督国家经济政策的中国国家发展和改革委员会提出警告,“任何试图用稀土制品来遏制中国发展的行为,都不会被全体中国人民所接受。”据报道,中国已经起草了稀土出口有关的管制条例,其中特别针对美国的国防工业。这些出口禁令以及出口配额,将会导致全球矿物资源价格的进一步上涨。同时,由于中国占有全球矿产储量的重要份额,中国对半导体制造关键原材料的控制将会继续下去,其中包括钨(51%)、锑(24%)和各种稀土元素(37%)。鉴于最近美国本土的所有稀土供应商进行了合并,中国对于矿物资源市场的占有只会更加强大。

美国政府正在努力——尽管有些随意——解决矿产资源问题。美国国防部已经给了澳洲莱纳斯稀土公司和美国MP稀土公司建造稀土加工设施的合同,美国能源部也正探索开发一个关键的矿物精炼厂。

工业气体:受俄乌战争影响严重

芯片制造的过程至少需要上百种工业气体。在沉积、光刻、蚀刻、掺杂、退火和腔室清洁等不同阶段,使用到的气体可分为两大类,大宗气体和电子特种气体。大宗气体,是通常所见的氮气、氧气、氩气、氦气、氢气和二氧化碳;而电子特种气体,则是在纯度、品种、性能等方面有特殊要求的纯气、高纯气或掺杂配制的二元或多元混合气,包括氨、硅烷、氯化氢、三氟化氮和笑气。更重要的是,高纯工业气体在生产先进制程逻辑芯片的过程中是不可替代的。随着美国扩产先进制程逻辑芯片和其他半导体芯片,美国对工业气体的需求可能会在未来三到五年内大幅增长。

而东亚承担了大部分工业气体的供应。全球超过75%的电子特气源于韩国、日本、中国和中国台湾。例如,中国生产了全球60%的氟石,而这是合成许多气体的关键成分,比如CF、NF3、HF、WF6 和 SF6。几乎所有的美国工业气体都需要依赖海外供应商:默克集团(德国,占据大部分市场)、中船重工718所、广东华特气体、南大光电、液化空气集团(法国)、林德集团(荷兰)、昭和电工(日本)、圆益 (韩国)、SK集团(韩国)和英特格(美国)。

正如人们所预料的,美国半导体行业已经面临工业气体的需求压力。美国技术咨询公司Linx Consulting的一份研究报告指出,“美国半导体的产能扩张和有机生产的需求,将对当前的电子特气供应链造成税负。美国需要投资更多的电子特种气体供应链与新建制造工厂配套,以满足更高的生产要求与扩充的产能。”如果美国面临工业气体短缺,这将严重地影响下游产业的正常生产。从这个角度看,蚀刻气体C4F6是不可替代的。每减少6000万-1亿美元的C4F6供应,将造成下游产业100亿-180亿美元的损失。

如上所述,工业气体市场面临巨大的地缘政治风险。半导体行业协会的警告直截了当:“美国工业气体供应不足,我们依赖外国进口,这可能会变得十分不稳定。”正在进行的俄乌战争凸显了这种不稳定性。乌克兰为美国半导体制造提供了90%的高纯度氖气,然而,从2021年12月到2022年3月,停产使整体氖气价格上涨500%。乌克兰也是氙气的主要生产国,供应量约占全球30%,用于半导体蚀刻制程。而受到美国和欧洲制裁的俄罗斯,是氦气和C4F6的主要生产国之一。虽然美国的主要芯片制造商大都储备了可供一年的工业气体,以防随时可能出现的供应短缺,但体量较小的芯片制造商几乎马上面临着供应问题。

为了满足美国急迫且不断增长的需求,日本、韩国和中国台湾正在扩大其工业气体的产能。实际上,东亚主要的工业气体生产商都在提升产能。正如中国“十四五”规划所述,随着中国追求半导体产业自给自足,到2025年,中国在工业气体市场的份额必将进一步扩大。这对美国而言无疑是值得担忧的。美国也相应增产工业气体,且尽可能在主要的半导体制造商附近选址。例如,荷兰林德集团就投资6亿美元,在亚利桑那州建设气体生产设施,而那里将建造台积电的新工厂。

化学制剂:不看成本,美国有可能自给自足

半导体制造使用大约五百种化学制剂,包括光刻胶、抛光液和湿化学品(如硫酸)。同样需要的是通用化学品,例如异丙醇和盐酸。鉴于其独特性,这些化学制剂没有替代品。正如人们猜测的,半导体的扩能,正拉动化学品的供应需求,尤其是用于EUV光刻机的光刻胶需求猛增。

而东亚仍是化学制剂的主要供应商。一个有说服力的例子是,日本的东京应化工业、JSR公司和信越化学工业等,控制着全球90%的EUV光刻胶的供应。这是制造先进制程逻辑芯片的关键化学品。正如预期的那样,中国是氢氟酸等湿化学品的主要生产国。反观美国国内,我们不生产先进制程逻辑芯片所必需的任何高纯度化学品,也没有扩大湿化学品的产能。而美国制造厂商也习惯从海外采购这些化学品。

对于超纯化学品而言,其低产能的特点,意味着供应中断的风险。专家预测,美国对硫酸的需求将提升37%,对氢氧化铵的需求将上涨46% 。电子材料咨询公司TECHCET警告称,“美国可能在2023年面临化学品的短缺。”这些化学品的独特性质,使芯片制造厂无法寻求其他化学品作为替代;各供应商参差的化学配方,也使轻易地更换供应商变得困难。而供应商的工厂事故(譬如日本住友化学工厂爆炸导致环氧树脂断供)和新生产规定(例如欧盟2020年提议限制半导体制造所必需的含氟化学品),都使原材料供应链变得羸弱不堪。

这种风险其实一直存在:化学品的供应通常来自单一国家或公司,以至于任何地缘政治风险都会影响半导体的制造。例如,中国台湾是超高纯度异丙醇的主要生产地,任何与大陆的关系变化都会波及供应。在此之前,韩国已经忍受过地缘政治的后果。日本生产全球约90%的氟化聚酰亚胺和70%的氟化氢,并且韩国90%的光刻胶都来自日本。当2019年7月日本限制向韩国出口光刻胶、氟化氢和氟化聚酰亚胺时,韩国半导体出口的潜在损失约每月84亿美元。

考虑到当下和未来对化学制品的明确需求,韩国和中国台湾正在加大对化学制品生产的投资。韩国政府设定2023年的生产目标:为本土供应商提供70%的电子化学品。同样,中国大陆也在大力投资光刻胶生产,预计中国大陆光刻胶公司的产能,将在未来三到五年内实现大幅增长。而在与制造商达成长期合作的背景下,日本也预计在不久之后主导全球化学品的供应。

在化学制剂的生产方面,美国只面临增加产能的挑战。平均来看,在美国国内生产化学制剂的成本,是亚洲工厂的五到六倍,但化学工厂的建设只需要两到三年时间。

事实不容乐观:美国需要立即采取行动

美国政府必须重视半导体的工业原料,不仅要关注产能增长,更要关注原料质量的提升。这关乎美国的国家安全。美国政府力推的520亿芯片法案着重提及半导体的研究和制造,却“痛苦地”忽视了矿物、气体和化学品。即便实现了当前的制造目标,从长远来看,美国对东亚市场的严重依赖仍将构成重大风险。没有足够的原料,半导体制造是不可能的。白宫的一份报告对此事很清楚:“任何原料的供应中断,都可能对美国的半导体制造产生深远影响。”

所以我们认为,美国必须提高国内的高纯度矿物、气体和化学品的产能和质量。否则美国的半导体制造业——以及美国国家安全——将继续高度依赖无法控制的外国因素。

本文原载“National Interest”,原题为《关键原材料事关美国半导体供应链的成败》,由文化纵横新媒体编译。欢迎个人分享,媒体转载请联系本公众号。

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