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“美國最重要的優勢正受制於人,豈能安睡?”兩位年輕學者的憂思
2022/05/19 04:31
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【導讀】把中國塑造成對手,進而推動國內政策議程,已成為美國精英群體的一個流行做法。2022年以來,在拜登政府力推下,美國眾議院公佈《2022年美國競爭法案》,以中國主要競爭對象,計畫推出520億美元的晶片投資。


本文指出,這一晶片法案偏重晶片的研發和增產,卻嚴重忽略關鍵原材料的供應問題。作者以中國稀土為例,強調美國晶片製造所需的原材料,幾乎完全依賴東亞,這對美國意味著極大的市場風險和地緣政治風險。由於這些關鍵原材料尚無替代品,其產能一旦過分集中,將增加美國原材料供應中斷的風險。作者尤其指出,中國既在晶片製造領域與美競爭,又是礦產、電子特氣等一些關鍵材料的主供應商,而且未來還將擴大產能。這使博弈形勢更加複雜。他分析,美國也想擴大關鍵原材料的本土產能,但要解決這個問題並不容易。美國勞動力成本更高,原材料生產的啟動時間過長,而且晶片製造廠為了避免原材料出現雜質,通常不願更換新供應商。而原材料生產還面臨環保壓力。這些因素都促使美國本土廠商更傾向於海外採購。儘管挑戰重重,作者仍呼籲美國政府必須實質性激勵等措施,來發展原材料的本土生產,這不僅關乎美國半導體製造業,還關乎美國的國家安全。


總的來說,這篇文章的寫作思路並無新意,依然沒有跳出借中國來推動美國國內政策目標的慣性思維。但文章對半導體產業全球競爭態勢和對關鍵原材料供需格局的分析,或許能為我們思考相關問題提供線索。文章原載National Interest,原題為《關鍵原材料事關美國半導體供應鏈的成敗》,由文化縱橫新媒體編譯首發,僅代表作者觀點,供讀者參考。


關鍵原材料事關


美國半導體供應鏈的成敗


世界上最先進的半導體——先進制程邏輯晶片——是人工智慧、量子計算、機器人以及先進無線網路等新興“必爭”技術的基礎。這些技術在維護美國國家安全方面有著巨大潛力,這一點毋需說明。然而美國晶片製造所需的原材料,幾乎完全依賴東亞,這對美國意味著極高的市場風險和地緣政治風險。雖然美國政府通過晶片法案,試圖向半導體產業注入520億美元並解決晶片供應的各種薄弱環節,卻忽略了半導體製造所必需的礦產、工業氣體、化學製劑等關鍵原材料的重要性。


(原文網站截圖)


(原文網站截圖)


▍關鍵原材料為何重要?


要製造先進制程邏輯晶片,至少需要三百多種原材料,礦產、工業氣體和化學品在數量上僅占很小一部分,卻有著舉足輕重的作用。美國半導體行業協會對此有著更為直接的說法,“這些關鍵原材料在多數情況下尚無替代品,因此安全且持續的材料供應,對半導體生產至關重要。”國際半導體產業協會(SEMI)對原材料市場的評估高達404億美元。該協會指出,鑒於晶片需求猛增,原材料需求也隨之增加,這一數字勢必擴大。


目前,中國供應全球半導體市場13%的原材料,而東亞其他地區占比約57%,美國占11%。考慮到市場和地緣政治風險,這種壓倒性的集中,使得美國原材料供應被中斷的可能性大增。由於晶片需求猛增,原材料供應商面臨增產壓力,同時也面臨被製造商搶奪的局面。因此即便原材料按計畫擴產,也不足以滿足未來全球對關鍵原材料的需求。同時中國的情況也使事情變得複雜:中國既在晶片製造領域與美競爭,同時又是一些關鍵材料的主要供應商。正如美國安全和新興技術中心所警告的那樣:“中國公司是原材料的主要供應商,而美國原材料嚴重依賴進口,國內產能不足。”


中國、中國臺灣、韓國、歐盟和美國都試圖提升原材料產能。例如,2019年韓國宣佈對原材料、組件和設備投資50億美元。與此同時,中國主要原材料生產商,比如科華微電子材料公司,也在積極擴大業務和在美銷售。


但是美國,相較之下,在解決這個問題上面臨嚴峻挑戰。美國的勞動力成本相比外國競爭對手高 50%,而原材料生產的啟動需要2-15年不等。更令美國擔憂的是,原材料的生產,面臨雜質風險,這使得先進晶片製造廠通常不願更換新的供應商。


因此,任何提升美國國內原材料產能的舉措,都必須包括政府實質性的激勵措施。


▍礦產:中國掌控著重要份額


礦產對於半導體製造的重要性不言而喻。其中最常用的是矽和砷化鎵。單晶矽一直是基礎半導體原材料,但化合物砷化鎵因其優良的結構特性,正越來越多地取代矽。其他相關礦物,如稀土元素和鈷,也扮演著關鍵角色。而晶片的擴產,導致這些礦物的需求水漲船高。例如,僅在2019年至2020年間,鈷的需求就增長近30% 。從工藝製造的角度看,新型化合物是提高半導體器件性能和可靠性的必要條件,而新型化合物的商業化也促進了市場對其他礦物原料的需求。


多重壓力之下,礦物供應鏈已變得緊張起來。後疫情時代的經濟復蘇,推動各個行業對礦物原料的需求,致使這些原料的生產成本和交貨時間激增。自2020年初以來,釕和銥等原料需求增長近三倍,銅、鈷和鋁的價格也一路飆升。大量原材料工程受新冠疫情影響而被迫停產,也是促成全球供應鏈緊張的原因之一。就在2021年,受中國矽原料減產影響,從8月到12月,矽價格上漲了300%。在半導體產業鏈中,任何類似的生產中斷都可能導致價值數億美元的重大損失。由此可見,對於當下需求量暴增的電動汽車行業來說,如果這種供應風險持續存在,對可再生能源技術的影響必然十分嚴峻。


從另一角度來看,美國所依賴的外國礦產資源來源相對單一, 這也是美國半導體供應鏈的危險之一。2018年,美國地質調查局將35種礦物列為“對美國經濟和國家安全至關重要的礦物資源”。其中30種礦物直接影響半導體製造,其中23種礦物的美國進口依存度超過75%,其中 12 種對中國的進口依存度為100%。截至2021 年,中國生產了全球60%的稀土資源,而美國僅生產15%。2017年至2020年間,中國是美國稀土進口的主要來源地,占78%。


因此,中國對於半導體礦產的佔有,構成重大的地緣政治挑戰。美國認為,中國已經表現出將其礦產市場影響力作為“武器”的意願。在2010年的外交爭端中,中國明確禁止向日本出口稀土資源。而後在2019年的中美貿易戰期間,負責監督國家經濟政策的中國國家發展和改革委員會提出警告,“任何試圖用稀土製品來遏制中國發展的行為,都不會被全體中國人民所接受。”據報導,中國已經起草了稀土出口有關的管制條例,其中特別針對美國的國防工業。這些出口禁令以及出口配額,將會導致全球礦物資源價格的進一步上漲。同時,由於中國佔有全球礦產儲量的重要份額,中國對半導體製造關鍵原材料的控制將會繼續下去,其中包括鎢(51%)、銻(24%)和各種稀土元素(37%)。鑒於最近美國本土的所有稀土供應商進行了合併,中國對於礦物資源市場的佔有只會更加強大。


美國政府正在努力——儘管有些隨意——解決礦產資源問題。美國國防部已經給了澳洲萊納斯稀土公司和美國MP稀土公司建造稀土加工設施的合同,美國能源部也正探索開發一個關鍵的礦物精煉廠。


▍工業氣體:受俄烏戰爭影響嚴重


晶片製造的過程至少需要上百種工業氣體。在沉積、光刻、蝕刻、摻雜、退火和腔室清潔等不同階段,使用到的氣體可分為兩大類,大宗氣體和電子特種氣體。大宗氣體,是通常所見的氮氣、氧氣、氬氣、氦氣、氫氣和二氧化碳;而電子特種氣體,則是在純度、品種、性能等方面有特殊要求的純氣、高純氣或摻雜配製的二元或多元混合氣,包括氨、矽烷、氯化氫、三氟化氮和笑氣。更重要的是,高純工業氣體在生產先進制程邏輯晶片的過程中是不可替代的。隨著美國擴產先進制程邏輯晶片和其他半導體晶片,美國對工業氣體的需求可能會在未來三到五年內大幅增長。


而東亞承擔了大部分工業氣體的供應。全球超過75%的電子特氣源於韓國、日本、中國和中國臺灣。例如,中國生產了全球60%的氟石,而這是合成許多氣體的關鍵成分,比如CF、NF3、HF、WF6 和 SF6。幾乎所有的美國工業氣體都需要依賴海外供應商:默克集團(德國,佔據大部分市場)、中船重工718所、廣東華特氣體、南大光電、液化空氣集團(法國)、林德集團(荷蘭)、昭和電工(日本)、圓益 (韓國)、SK集團(韓國)和英特格(美國)。


正如人們所預料的,美國半導體行業已經面臨工業氣體的需求壓力。美國技術諮詢公司Linx Consulting的一份研究報告指出,“美國半導體的產能擴張和有機生產的需求,將對當前的電子特氣供應鏈造成稅負。美國需要投資更多的電子特種氣體供應鏈與新建製造工廠配套,以滿足更高的生產要求與擴充的產能。”如果美國面臨工業氣體短缺,這將嚴重地影響下游產業的正常生產。從這個角度看,蝕刻氣體C4F6是不可替代的。每減少6000萬-1億美元的C4F6供應,將造成下游產業100億-180億美元的損失。


如上所述,工業氣體市場面臨巨大的地緣政治風險。半導體行業協會的警告直截了當:“美國工業氣體供應不足,我們依賴外國進口,這可能會變得十分不穩定。”正在進行的俄烏戰爭凸顯了這種不穩定性。烏克蘭為美國半導體製造提供了90%的高純度氖氣,然而,從2021年12月到2022年3月,停產使整體氖氣價格上漲500%。烏克蘭也是氙氣的主要生產國,供應量約占全球30%,用於半導體蝕刻制程。而受到美國和歐洲制裁的俄羅斯,是氦氣和C4F6的主要生產國之一。雖然美國的主要晶片製造商大都儲備了可供一年的工業氣體,以防隨時可能出現的供應短缺,但體量較小的晶片製造商幾乎馬上面臨著供應問題。


為了滿足美國急迫且不斷增長的需求,日本、韓國和中國臺灣正在擴大其工業氣體的產能。實際上,東亞主要的工業氣體生產商都在提升產能。正如中國“十四五”規劃所述,隨著中國追求半導體產業自給自足,到2025年,中國在工業氣體市場的份額必將進一步擴大。這對美國而言無疑是值得擔憂的。美國也相應增產工業氣體,且盡可能在主要的半導體製造商附近選址。例如,荷蘭林德集團就投資6億美元,在亞利桑那州建設氣體生產設施,而那裏將建造臺積電的新工廠。


▍化學製劑:不看成本,美國有可能自給自足


半導體製造使用大約五百種化學製劑,包括光刻膠、拋光液和濕化學品(如硫酸)。同樣需要的是通用化學品,例如異丙醇和鹽酸。鑒於其獨特性,這些化學製劑沒有替代品。正如人們猜測的,半導體的擴能,正拉動化學品的供應需求,尤其是用於EUV光刻機的光刻膠需求猛增。


而東亞仍是化學製劑的主要供應商。一個有說服力的例子是,日本的東京應化工業、JSR公司和信越化學工業等,控制著全球90%的EUV光刻膠的供應。這是製造先進制程邏輯晶片的關鍵化學品。正如預期的那樣,中國是氫氟酸等濕化學品的主要生產國。反觀美國國內,我們不生產先進制程邏輯晶片所必需的任何高純度化學品,也沒有擴大濕化學品的產能。而美國製造廠商也習慣從海外採購這些化學品。


對於超純化學品而言,其低產能的特點,意味著供應中斷的風險。專家預測,美國對硫酸的需求將提升37%,對氫氧化銨的需求將上漲46% 。電子材料諮詢公司TECHCET警告稱,“美國可能在2023年面臨化學品的短缺。”這些化學品的獨特性質,使晶片製造廠無法尋求其他化學品作為替代;各供應商參差的化學配方,也使輕易地更換供應商變得困難。而供應商的工廠事故(譬如日本住友化學工廠爆炸導致環氧樹脂斷供)和新生產規定(例如歐盟2020年提議限制半導體製造所必需的含氟化學品),都使原材料供應鏈變得羸弱不堪。


這種風險其實一直存在:化學品的供應通常來自單一國家或公司,以至於任何地緣政治風險都會影響半導體的製造。例如,中國臺灣是超高純度異丙醇的主要生產地,任何與大陸的關係變化都會波及供應。在此之前,韓國已經忍受過地緣政治的後果。日本生產全球約90%的氟化聚醯亞胺和70%的氟化氫,並且韓國90%的光刻膠都來自日本。當2019年7月日本限制向韓國出口光刻膠、氟化氫和氟化聚醯亞胺時,韓國半導體出口的潛在損失約每月84億美元。


考慮到當下和未來對化學製品的明確需求,韓國和中國臺灣正在加大對化學製品生產的投資。韓國政府設定2023年的生產目標:為本土供應商提供70%的電子化學品。同樣,中國大陸也在大力投資光刻膠生產,預計中國大陸光刻膠公司的產能,將在未來三到五年內實現大幅增長。而在與製造商達成長期合作的背景下,日本也預計在不久之後主導全球化學品的供應。


在化學製劑的生產方面,美國只面臨增加產能的挑戰。平均來看,在美國國內生產化學製劑的成本,是亞洲工廠的五到六倍,但化學工廠的建設只需要兩到三年時間。


▍事實不容樂觀:美國需要立即採取行動



美國政府必須重視半導體的工業原料,不僅要關注產能增長,更要關注原料品質的提升。這關乎美國的國家安全。美國政府力推的520億晶片法案著重提及半導體的研究和製造,卻“痛苦地”忽視了礦物、氣體和化學品。即便實現了當前的製造目標,從長遠來看,美國對東亞市場的嚴重依賴仍將構成重大風險。沒有足夠的原料,半導體製造是不可能的。白宮的一份報告對此事很清楚:“任何原料的供應中斷,都可能對美國的半導體製造產生深遠影響。”


所以我們認為,美國必須提高國內的高純度礦物、氣體和化學品的產能和品質。否則美國的半導體製造業——以及美國國家安全——將繼續高度依賴無法控制的外國因素。