芯片全球化已死，出路何在

曾文仁

德國柏林，光刻機巨頭荷蘭阿斯麥（ASML）制造廠

荷蘭方面一直抗拒與美國政府合作，認為限制阿斯麥光刻機出口至中國內地，不符合其商業乃至國家利益。

近日，荷蘭政府宣布一系列針對先進半導體設備的出口管制。該國光刻機技術企業阿斯麥（ASML）是行業龍頭，自然成為外界焦點；同時，美國媒體引述知情人士，指美國商務部正考慮擴大對華出口半導體的限制，讓芯片供應商英偉達（NVIDIA）專為適應限制而設的A800芯片亦納入禁令范圍?？梢灶A期，在美國推動下，全球芯片市場將繼續成為國際關注的焦點。

沒有半導體，就沒法用電

日本多摩大學榮譽教授井上伸雄在《圖解半導體》書中，用一句話闡明了半導體在現代社會的重要性：“沒有半導體，就沒辦法運用電力。”在電路板中，廣為人知的中央處理器（CPU）也是半導體的產品—事實上，不論是戰斗機、航空母艦，還是電冰箱、熱水壺，它們的運作都需要半導體，以控制電流、電壓，以及作為計算、控制及記憶等功能，區別只在于運算能力高低而已。

2012年，曾有美劇上演了這樣的情節：全球大停電的背景下，人類在電力失靈后，文明倒退，現代政府垮臺，城市成廢墟，現代科技自衛星，甚至燈泡都成為無用之物。盡管憂慮全球電力失靈未免杞人憂天，但半導體的創新放緩、應用電力的能力受限，是可預期有可能發生的結果。

若深入了解半導體的制作過程，我們更可理解芯片制造業的發展難度。芯片是指內含集成電路的硅片，既是半導體元件產品的統稱，也是集成電路的載體。設計工程師需使用專用的設計軟件，來規劃電路的走線，而這部分一般被稱作上游制程。

按業內知名芯片制造龍頭臺積電的說法，芯片的制程自二氧化硅組成的純凈硅砂開始，硅砂熔制為純硅后，可切片成為空白晶圓。由于硅晶圓在不同溫度下能夠傳導或阻絕電流，所以會在硅圓片上涂布感光涂料，并以強光進行曝光顯影，來實現將電路設計圖轉印到晶圓上。這道制程在晶圓表面留下電路設計圖的化學涂層，以進行蝕刻或離子植入。

在晶圓上鍍上更多層不同的材料，并透過曝光顯影和蝕刻制程，就能制作導體層和絕緣層。接下來，制造商會借由化學機器研磨，移除晶圓上不需要的材料，使晶圓表面平滑，繼續制作其他導體層和絕緣層—這程序需要重復多次，直到半導體芯片制作完成。最后，在晶圓上覆蓋一層保護層。這過程通常被稱作“前段制程”，目的是在晶圓上置入晶體管等組件和配線，有400至500個流程，它是芯片制造產業的中游部分。而隨著技術日益改進，流程的數目很可能逐年增加。

完成的晶圓需通過電路檢查，確保電路準確無誤刻在晶圓上。至此，芯片進入后段制程：首先，需要將晶圓切割成一顆顆半導體芯片，切割出來的芯片有部分質量欠佳，制造商只會取出優質的芯片，這些芯片就是新聞經常談及的7納米或5納米芯片等—簡單而言，數字愈低，通常意味制程愈先進，制造的技術難度更大，使用的機器越精密，成本亦更高。

德國博世半導體工廠

阿斯麥光刻機

半導體的創新放緩、應用電力的能力受限，是可預期有可能發生的結果。

取出的芯片會進入封裝制程，相關的工序亦被稱為下游產業。芯片需被固定于導線架之上，再透過引線接合，將芯片連接電路，再以壓模樹脂覆蓋芯片和引線，并經過導線金屬鍍膜、加工，形成我們在電路板上看到的一塊塊黑色塑膠物體。完成封裝后，芯片需經過各種測試、檢查，全部合格后，方可成為可出售的芯片。

上述的說法是一個非常簡單的描述。芯片制造的每道工序的技術含量極高，且不同種類芯片的技術要求，亦不盡相同。同時，在芯片制造的過程中，“良率”（yields）的概念非常重要：制作流程里，不可能每一工序都百分百成功，有一些部分出現瑕疵亦屬正常。然而每一工序都有一定比例的瑕疵，而每經過一道工序，合格的產品數目會持續減少。

AMD公司7nm晶圓

芯片原本無所不在，而限制其流動，將會使它成長放緩甚至停止。

市場很重視芯片制造商的生產良率，每一次“良率”看似小幅度的提升，都意味著合格的產品大量增加，制造成本亦能大幅下降。

產業生態系統繁復

大致了解制程后，我們就可以厘清芯片產業常見企業的關系，稍微弄清楚所謂“卡脖子”是怎么一回事。要知道，芯片制造是一個高度分工的產業，產業生態系統相當繁復，從事行業的工程師甚至企業，大多聚焦整個產業鏈的一小部分，難以全面涵蓋整個產業鏈。所以，單從臺積電等龍頭企業高薪挖角數名中高層主管，并不能突破芯片技術瓶頸。

舉例而言，美國的英偉達、AMD、高通，中國臺灣的聯發科和華為旗下的海思半導體，主要是芯片設計的上游產業；臺積電則聚焦前段制程的代工，而荷蘭的阿斯麥則主營用作晶圓加工的光刻機；深圳的鵬芯微、在香港上市的中芯國際亦經營芯片制造業務，可被歸類為產業的中游。

部分大型企業如臺積電亦具備下游工序的技術，而臺灣的日月光則專門提供封裝與測試服務，同屬下游產業。這些企業生產的芯片，會售予蘋果、谷歌、特斯拉等明星企業，生產我們常見的電腦、手機或其他電子產品。

有來自中國的頭部芯片企業曾公開表示，“芯片的設計當前中國已經步入世界領先……芯片的制造中國也是世界第一，在臺灣”；大陸的芯片制造缺乏制造設備、基礎工業及化學工業。

即便是美國，亦不能以一國之力全面掌控整個芯片產業鏈。近年，拜登政府四處奔走荷蘭、日本、韓國政府尋求合作。美國政府去年推出的《芯片和科學法案》（CHIPS and Science Act 2022）斥巨資扶助的企業，亦非全部為美國企業，國外企業如臺積電、三星也是它的爭取對象，條件是任何接受資金的企業，必須在美國本土制造他們研發的產品。

事實上，荷蘭方面一直抗拒與美國政府合作，認為限制阿斯麥光刻機出口至中國內地，不符合商業乃至國家利益；臺積電亦因法案規定，企業需應政府要求，提供關鍵技術細節，生怕競爭對手三星從中獲得關鍵技術，繼而猶豫再三。

2022年12月29日，中國臺灣，臺積電新廠落成，3nm芯片開始批量生產

《芯片和科學法案》另一受關注的要求，是受資助企業至少十年內，不得在中國或其他受關注國家進行新的高科技投資。換言之，接受美國政府資助的芯片企業，將不可能成為中國芯片產業的助力。

盡管全球企業不一定需要美國政府的資金，但不少討論認為，全球各大芯片龍頭為免遭受美國政府以國家安全之名打壓，亦只能不情不愿加入其計劃。而受限制的芯片企業，日后在國際尋找先進制程的合作伙伴時，范圍只得縮小至其他相對不那么發達的地區，其中的技術水平不言而喻。

走全球協作之路

今年3月，臺積電創辦人張忠謀與《芯片戰爭》作者克里斯·米勒的對談中，不乏值得我們細思之處。張忠謀談及芯片的全球化已死，因芯片制造商到美國設廠，對業界完全沒幫助，只會使成本上升。芯片原本無所不在，而限制其流動，將會使它成長放緩甚至停止。

克里斯·米勒亦指出，從半導體的國際分工而言，很難有一個國家能夠自給自足，最后可能花很多錢，也不會做得較好；從頭到尾打造晶圓代工產業殊不簡單。

張忠謀另一對美國政府的評論，亦甚具參考價值。去年，美國眾議院議長佩洛西竄訪臺灣時，張忠謀向佩洛西和其他美國議員表示，若美國以為靠花大錢就可以進占芯片全球最復雜的電子制造市場，那就太天真了。

兩人的評論亦可預視，中國芯片制造應發展的方向：全球協作。追求芯片自給自足，目前既不可行，亦不經濟，更無優勢。

以美國的國力，透過“大撒幣”追求芯片制造自給自足，尚且困難重重，其他國家嘗試以相似手法發展本土芯片產業，無疑是緣木求魚。發展技術密集且高度分工的芯片產業，我們應該秉持全球協作精神，各自發展自身的比較優勢，在商業主導的國際分工下把餅做大，共同推動產業、科技的發展。

責任編輯吳陽煜 wyy@nfcmag.com