戰略與國際研究中心2024 年 2 月 14 日研究報告【最佳化美國對關鍵技術和新興技術的出口控制--與合作夥伴合作】的一部份
電腦芯片"是可與 "半導體 "互換使用的術語，包含一種半導體材料，上面有大量獨立的晶體管。每個晶體管都是一個獨立的半導體器件，具有自己可控的電阻率。芯片包含的晶體管越多，計算能力就越強。由於芯片的尺寸限制了效率，科學家們試圖制造出越來越小的晶體管，以增加每個芯片上潛在的晶體管總數。如今，尖端半導體的晶體管尺寸為 2 到 3 納米（nm），能夠執行強大的計算任務。不太復雜的芯片用於日常電子產品，如廚房用具、汽車、醫療器材和耳機等基本消費電子產品。
另一方面，尖端芯片則用於高級計算、人工智能、第五代（5G）電信、自動駕駛汽車和最新智能電話等領域。在精確制導導彈和無人駕駛飛行器等現代軍事裝備中也能找到芯片的身影。CSIS 2022 年的一份分析報告認為，"美國所有主要國防系統和平台的效能都依賴於半導體"，隨著現代軍隊將人工智能納入其工具庫，他們將繼續需要更多的尖端芯片。鑒於芯片令人擔憂的雙重用途性質，華盛頓對尖端半導體的政策，就是要在美國與其戰略對手之間拉開相當大的能力差距。2022 年 9 月 6 日，美國國家安全顧問傑克-沙利文呼籲制定出口管制政策，幫助美國在 "先進邏輯和儲存芯片 "等領域 "盡可能保持領先地位"。
對於尖端半導體而言，由於先進的制造器材和方法只集中在少數幾家公司，因此，供應鏈中存在若幹 "咽喉"。半導體制造流程的第一階段是芯片設計，企業在這一階段規劃芯片的物理結構，針對不同的目標最佳化芯片的功能。
早期電腦芯片的晶體管數以千計，都是手工設計，但是，如今的尖端芯片需要專門的電子設計自動化軟件（EDA）來模擬晶體管尺寸微小的復雜設計。 這種軟件很難制作，需要專業人員掌握專門的知識，他們透過對集成電路的三維設計建模，開發和最佳化半導體設計，以便在不同的工藝和技術中使用，然後在制造時將其整合到芯片中。集成電路根據不同的用途進行不同的設計，比如，讓智能電話連線到 SG 網絡的芯片，這些與處理機器學習相關數據的芯片在外觀和功能上都不同。透過 EDA 軟件，芯片設計人員可以對這些不同的設計進行建模和仿真。
人工智能已日益成為 EDA 的重要組成部份。試用人工智能增強工具的芯片設計人員能夠比人類更快、更高效地設計芯片。
根據 Deloitte Insights 的預測，用於芯片設計的先進人工智能工具的市場增長速度，預計將超過其他電子設計自動化軟件 （EDA ）工具的 2 倍。因此，與 EDA 相關的專有技術可細分為構建 EDA 系統所需的專業知識和使用這些系統所需的專業知識。由於 EDA 工具開發是一個相對利基的領域，專家很少，因此 EDA 領域的人力資本是半導體供應鏈中的一個關鍵瓶頸。
全世界的芯片設計工程師有數十萬人。然而，近年來該行業出現了人才短缺問題，而使用人工智能增強型 EDA 工具可能會緩解這一問題。由於人工智能使生產更先進、更高效的芯片設計變得更容易，因此需要更少的芯片設計人員來完成同樣的工作量，從而減少了該行業對專業技能的需求。
圖 4 美國是全球最強大的人工智能國家
美國是半導體設計總體市場份額最大的國家，2021 年將占據該領域（不包括 EDA 工具）46% 的收入份額；擁有三星和 SK 海力士等公司的南韓占據全球設計收入的 21%；日本和歐洲均占據 9%；中國台灣占據 8%，中國大陸占據全球芯片設計收入的 7%。就 "核心知識產權"或與芯片設計相關的知識產權而言，美國和英國占據了全球 95% 的市場份額，而中國大陸則不到 2%。2022年10月7日，美國商務部釋出了新的出口法規，其中包括阻止中國獲得美國的EDA軟件。中國自己的軟件與美國的替代品不相稱，因此，這一政策轉變將限制中國政府在國內制造尖端芯片的希望。
然而，中國並不生產現代 EDA 所能處理的 2-3 納米先進半導體，因此，中國的設計人員可以放心地使用國產軟件來設計晶體管稍大的芯片。 美國的出口管制也起到了刺激中國公司在設計領域開發高質素替代產品的作用。在整個 2022 年，總價值達 4720 億元人民幣（合 660 億美元）的中國半導體設計公司從股票市場籌集了更多資金，這表明了國內的增長。國內企業需要投資開發 EDA 替代方案，使中國芯片制造商的設計最終處於領先地位。
鑒於美國與德國和英國等主要盟國在半導體價值鏈的設計環節占據主導地位，目前的出口限制措施制定得非常合理。然而，中國企業在發展本土產能方面卻有著驚人的韌性。因此，拜登政府設定硬性上限而非滑動標準的做法在未來可能會適得其反，尤其是考慮到該政策仍然依賴於盟國，而這些盟國可能在未來不再願意犧牲其國家冠軍企業的大部份收入來支持美國的政策。與其他關鍵的新興技術一樣，這種情況凸顯了建立多邊機制並使之制度化的必要性。
制造
芯片一旦設計完成，就必須進行制造。制造過程的投入是原材料和半導體制造器材。在供應鏈的這一環節中，需要幾類專業公司來彌補設計與實際產品之間的差距。就半導體硬件而言，經營制造材料和化學品的公司主要集中在美國、德國、日本、中國台灣、南韓和中國大陸。截至 2021 年，中國台灣在這一領域占據了 25% 的市場份額，其次是中國大陸，占 15%，歐洲占 9%。不過，後兩者分別在原材料和化學品領域占據了重要位置。
現代集成電路的開發，需要在半導體材料上使用一種名為光刻的工藝，這種工藝利用光束來制造具有微小晶體管尺寸的芯片。
深紫外（DUV）光刻技術，可用於持續制造小至 14 納米的芯片。極紫外（EUV）光刻技術是制造 7 納米及以下尖端芯片的最先進技術。極紫外光刻機是荷蘭 ASML 公司 "完全獨有 "的器材，因此在考慮出口管制時成為一個關鍵的瓶頸。代工廠有兩種類別： 所謂 "純玩型"，是指只經營制造業務而不銷售自己設計的芯片的專業公司；"非純玩型"，是指提供代工服務但同時銷售自己制造的芯片的公司。歷史上，大多數半導體公司都有自己的代工廠。
但是，隨著時間的推移，公司發現自己的代工能力並不一定符合內部需求。最終，1987 年，台灣半導體制造公司（TSMC）成為第一家純粹的代工廠，專門負責制造其他 "無晶圓廠 "公司設計的芯片。這種業務模式主導著今天的格局。台積電是半導體制造市場上遙遙領先的企業。2020 年，台積電占全球銷售額的 45%，南韓三星占 15%，台灣聯電占 6%，美國 Global Foundries 占 5%。
中國最大的晶圓代工企業中芯國際集成電路制造有限公司（SMIC），在 2020 年僅占全球市場份額的不到 4%。總部位於荷蘭的光刻器材供應商 ASML 是尖端半導體制造機械方面最重要的公司。雖然 ASML 是唯一一家生產 EUV 器材的公司，但許多公司都能生產功率稍低的 DUV 器材，可以可靠地制造出晶體管尺寸為 14 納米的芯片。日本公司尼康和佳能與 ASML 都是生產 DUV 光刻機的領先企業。就可持續生產 14 納米級 DUV 光刻機而言，這三家公司占據了全球 100% 的市場份額。雖然最終高端光刻機產品的市場僅限於尼康、佳能和 ASML，但許多公司都在生產這些機器的部件。
2022 年第四季度，台積電一家公司就占據了全球半導體代工市場份額的 58.5%。同時，由於荷蘭政府拒絕頒發出口特許證，中芯國際等中國公司無法使用 ASML 生產的 EUV 光刻機。截至 2023 年 9 月 1 日，由於美國的外交努力，荷蘭和日本政府進一步限制向中國出口最先進的 DUV 光刻機。中芯國際為華為 Mate 60 Pro 生產的 5G 芯片就證明了這一點。 最後，南韓公司SK海力士和三星在制造記憶體芯片方面遙遙領先於美國和中國。
美國在全球半導體制造市場的份額僅為 12%，低於 1990 年的 37%。 美國決策者希望透過【CHIPS 法案】的撥款，將更多的半導體制造份額帶回美國。值得註意的是，台積電將在亞利桑那州建立 "Fab 21"，計劃於 2025 年開始生產支持 EUV 的 5 納米芯片。三星晶圓廠也承諾在德薩斯州建立一座支持 EUV 的晶圓廠，也計劃於 2025 年開業。針對美國的出口管制，中國采取了自己的政策，以提高其在半導體制造市場的份額。2023 年 9 月，中國官員宣布了一項新的 400 億美元國家支持的投資基金，旨在加強半導體制造器材等方面的發展。
在制造方面，美國與日本和荷蘭達成的限制對華出口的協定瞄準了關鍵的咽喉，阻礙了中國開發尖端芯片的能力。美國還與南韓和中國台灣地區合作，因為它們在制造先進芯片方面占據著舉足輕重的地位。然而，美國的做法可能會損害自己的信譽，因為它正日益讓盟友陷入困境。比如，不讓它們獲得繼續創新所需的資金，從長遠來看，這種情況就像向中國出口先進芯片一樣不利於國家安全。因此，與價值鏈中的設計階段一樣，美國應繼續並改進其多邊努力，而不是雙邊處理芯片控制問題。考慮到目前 "封鎖點 "的有效性，拜登政府的 "硬上限 "方法，是只要所有相關國家都能正確執行。這種做法無需被恢復原狀所取代。
組裝
半導體的組裝、測試和封裝有兩種商業模式：由芯片制造商提供內部服務，或外包半導體組裝和測試。
由於在半導體供應鏈的這一部份取得成功所需的技術技能較低，公司歷來利用勞動力成本較低的發展中國家的 外包半導體組裝和測試公司或在那裏建立自己的工廠來降低價格。雖然與半導體供應鏈的其他環節相比，ATP 的技術含量歷來較低，但處於領先地位的芯片需要 "先進的封裝 "才能達到足夠的效能。
總體而言，組裝、測試和封裝市場主要由中國台灣地區（29%）、美國（28%）、中國（14%）和南韓（13%）占據。尤其是 外包半導體組裝和測試公司，台灣以 58% 的市場份額遙遙領先，中國緊隨其後，占 21%。主要的 外包半導體組裝和測試企業有台灣的日月光和力成；中國的錦滄電子、同富和天水；以及新加坡的聯合測試與組裝中心 。隨著半導體變得越來越復雜，對先進封裝的需求也將越來越大，美國正尋求利用【CHIPS 法案】的資金來獲得市場份額。然而，盡管加強國內制造是一個很好的目標，但它並不需要成為美國促進戰略的主要支柱。鑒於台積電最近在建設亞利桑那州晶圓廠時遇到的困難，尤其是相對於其在海外更成功的企業而言，美國還應該優先考慮與台灣保持積極接觸，以及與其他處於組裝階段的大型聯盟企業和其他希望提高本國組裝、測試和封裝產能的友好國家保持外交關系。
這些努力將比簡單的重新定位更有效率，從而促進多元化，擺脫目前在半導體供應鏈這一階段占主導地位的中國。
來源：【最佳化美國對關鍵技術和新興技術的出口控制--與合作夥伴合作】2024 年 2 月 14 日戰略與國際研究中心 作者William Alan Reinsch、Thibault Denamiel 和 Matthew Schleich
