重读日本半导体兴衰史,中芯国际、寒武纪能学到什么?

专栏号作者 侃科技频道 / 砍柴网 / 2020-07-21 22:54
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科技自媒体 / 侃科技频道

7月16日、7月20日,中芯国际和寒武纪分别登陆科创板。前者市值一跃超过6000亿人民币,后者在900亿关口浮沉后也一度突破1000亿人民币。

成立于2000年的中芯国际和仅有5岁的寒武纪在2020年7月交汇于科创板。

有这样两个细节,中芯国际IPO获得566倍超额认购,寒武纪股票涨幅一度达到272.81%。

资本市场对半导体行业公司的追捧,使后者迎来了高光时刻。这高光,被认为是华为、中兴等企业被美国制裁之下的星星之火,承载着国家及国人近二十年的半导体梦。

而我们的邻国日本,在1970-2000年的三十年时间里,其半导体产业经历了崛起、鼎盛、衰落和转型的产业周期,今天我们借中芯国际、寒武纪上市的机会,再重新读一次日本半导体产业的兴衰史。

崛起

西条都夫2019年曾在《日本经济新闻》发表了一篇题为《日本半导体行业没落的四个原因》的文章。

文章称,对平成年代(1989年至今)的日本来说“逃掉的都是大鱼”。这句话中所说的大鱼无疑是指“半导体行业”了。

上世纪70年代初,日本半导体产业整体落后美国十年以上,日本国内半导体制造设备的国产化比率只有20%。

70年代中期,日本本土半导体企业遭遇了两件事情,令日本开始警醒。

一是日本1974年在美国压力下被迫开放其国内计算机和半导体市场。

当时在技术上有着碾压优势的IBM如入无人之地,横扫日本各大企业。仅仅用了一年时间就占领了日本计算机市场40%的份额,而日本的计算机厂商在国内市场的份额从1970年的60%下降为1974年的48%;

另一件事是IBM公司开发的被称为未来系统(Future System,F/S)的新的高性能计算机中,采用了远超日本技术水平的一兆的动态随机存储器。

而这个动态随机存储器就是大名鼎鼎的DRAM(Dynamic Random Access Memory)。

面对技术上严重落后的现实和严峻的市场挑战,日本开始反击。

1976-1980年,由日本政府牵头发起了“VLSI联合研发计划”,相互竞争的东芝、三菱、日立、富士通、日本电气这些大企业集中自己的优势攻克技术难题,集中力量办大事。

“VLSI联合研发计划”主要在三个层面推动日本半导体产业发展:

第一,资金。

1976年至1980年,通产省补助金总支出为592亿日元,其中用于支持VLSI项目研究的补助金支出为291亿日元,占通产省补助金总支出的49.2%,而这四年VLSI研究协会的总事业费约为737亿日元(约合2.4亿美元,这不是一笔小数目,作为对比当时中国的外汇储备只有1.8亿美元);

第二,人才配置。

“VLSI联合研发计划”设立了6个联合实验室,分别攻关高精度加工技术、硅结晶技术、工艺处理技术、监测评价技术、装置设计技术等核心工艺和技术;

第三,人尽其才。

VLSI协会根据相关技术的可市场化程度分配研究任务,对于通用性和基础性技术,在联合实验室进行研发;对于技术的应用性研究则由企业在各自独立的企业内部实验室进行,这种安排即保证了企业间在集中攻关上的合作,又促进了企业在应用研究上的竞争。

VLSI协会对于日本半导体产业的积极意义是空前绝后的。

我们来看看它取得的丰硕成果:这四年中VLSI项目申请的专利件数达到 1210件(大约50%的申请来自于联合实验室),其中商业专利347件,共大约有600项获得了专利权。

成功开发出了VLSI所必需的微细加工技术、大口径单结晶培育技术等结晶技术,理论设计、CAD等设计技术,膜形成、结点形成等工艺技术,元件、材料等的试验评价技术等基础技术,同时也开发了适用于这些技术的逻辑元件和存储元件的制造技术。

再看上文提到的存储器,70年代中期日企的4K DRAM销售额只占全球的10%,但在16K的DRAM中,由于NEC、富士通等奋起直追,日企的全球销售份额扩大到了30%以上。

在VLSI项目的推动下,日企率先将64K DRAM(1980年研制成功,比美国早半年)推向市场,以至日企的64K DRAM国际市场占有率攀升到了55%,超过了美国。

VLSI 项目是日本“官产学”一体化的重要实践,将五家平时互相竞争的计算 机公司以及通产省所属的电子技术综合研究所的研究人才组织到一块进行研究工 作,不仅集中了人才优势,而且促进了平时在技术上互不通气的计算机公司之间的相互交流 、相互启发,推动了全国的半导体、集成电路技术水平的提高,为日本半导体企业的进一步发展提供平台,令日本在微电子领域上的技术水平与美国并驾齐驱。

鼎盛

日本半导体业的崛起以存储器为切入口,主要是DRAM。

到上世纪80年代,受益于日本汽车产业和全球大型计算机市场的快速发展,DRAM需求剧增。

而日本当时在DRAM方面已经取得了技术领先,日本企业此时凭借其大规模生产技术,取得了成本和可靠性的优势,并通过低价促销的竞争战略,快速渗透美国市场,并在世界范围内迅速取代美国成为DRAM主要供应国。

1982年,日本成为全球最大的DRAM生产国。

这一年3月,NEC的九州工厂(当时的九州岛有“硅岛”之称,占据了日本40%的半导体芯片产量),DRAM月产量为1000万块(约1万片晶圆),到了10月,月产量暴增至1900万块。

其产量之大,成品率之高(良率超过80%),质量之好,使得美企望尘莫及。与产量相伴的是,原来价格虚高的DRAM内存模块,价格暴降了90%,一颗两年前还卖100美元的64K DRAM存储芯片,现在只要5美元就能买到了,日本厂商还能赚钱,美企由于芯片成品率低,根本无法与日本竞争,因此陷入困境。

1982年,美国50家半导体企业秘密结成技术共享联盟,避免资金人力重复投资。可是这些合作项目刚刚启动,就传来了坏消息。美国刚刚研制出256K DRAM内存,而日本富士通、日立的256K DRAM已经批量上市。

1983年间,销售256K内存的公司中,除了富士通、日立、三菱、NEC、东芝之外,只有一家摩托罗拉是美企,光是NEC九州工厂的256K DRAM月产量,就高达300万块。

日本厂商开出的海量产能,导致这一年DRAM价格暴跌了70%。

内存价格暴跌,使得正在跟进投资更新技术设备的美企,普遍陷入巨额亏损状态。难以承受亏损的美企,纷纷退出DRAM市场,又进一步加强了日本厂商的优势地位。

1980-1990年间,在日本厂商的围追堵截下镁光、摩托罗拉被迫退出DRAM市场,德州仪器也被NEC夺走了行业老大的位置,日本半导体产业走上了顶点。

1989年,日本芯片在全球的市场占有率达 53%,美国仅37%,欧洲占12%,韩国1%,其他地区1%。

还有另外一组数据同样可以说明问题:70年代初,半导体企业前十中没有一家日企。到1988年,全球20大半导体厂商中,日本占据了11家,美国只有5家,三星排在第18位。1990 年,日本半导体企业在全球前10中占据了6席,前20中占据12席。

受益于半导体产业发展,日本传统制造业如电子计算器、家电、照相机、汽车、手机(功能机)、显示器等产业相继崛起,几乎每一个都对美国相应的产业造成不小的冲击。

可以说,在半导体芯片的引领下,整个日本制造业实现了腾飞。

衰落

在日本半导体产业处于鼎盛时期的八十年代,天空中飘来了一朵乌云,大洋彼岸的美国终于开始重视这只看上去一直很听话的小弟了。

在竞争中艰难生存的美国芯片公司,暂时搁置了各自的利益分歧,成立了美国半导体行业协会SIA。

英特尔创始人罗伯特.诺伊斯(左)联合其它硅谷企业成立了SIA,目标是应对日本半导体企业的竞争

这是举国体制和举国体制的对抗。

SIA游说了国会议员,让美国政府给芯片产业减税,所得税税率从49%降至28%,还鼓励养老金进入芯片业风险投资。

SIA还拿出了在21世纪美国屡试不爽的绝招——状告日本芯片企业威胁美国国家安全:

1978年,《财富》杂志发表了日本在硅谷从事间谍活动的报道;

1983年,《商业周刊》发表了11页主题为“芯片战争:日本的威胁”,通过媒体在舆论上造势,渲染日本科技威胁论,从而引导民间的反日情绪;

美国政府动用了法律手段,抓了东芝的高管,处罚东芝。

美国人砸日本的半导体收音机发泄不满

1986年初,美国裁定日本DRAM存储芯片存在倾销,要征收100%的反倾销税。

最终在1986年9月,迫于压力日本通产省和美国商务部签订了第一次《美日半导体协议》。

根据这项协议,美国暂时停止对日企的反倾销诉讼。但作为交换条件,要求日本政府促进日企购买美国生产的半导体,加强政府对价格的监督机制以防止倾销。并且美国半导体产品,在日本市场占有率,可以放宽到20%。

80年代末,当日企还在忙于追踪大型机、沉迷于25年保质期DRAM的时候,PC产业经过长时间的酝酿终于蓬勃发展起来了。

PC 取代大型机成为计算机市场上的主导产品,也成为DRAM的主要应用下游,而此时包括NEC、日立、富士通等在内的日本制造业企业,都是垂直一体化的整合分工模式,他们同时生产半导体和整机。

除了日本的整机厂商,没有多少PC公司,愿意把日本人用25年保质期技术生产出来的昂贵DRAM装在自己的机子里面,因为个人电脑的寿命不过5年时间,也不需要多高的品质。

而与此同时,一水之隔的好邻居韩国开始发力,以三星、LG和现代等为代表的韩企开始加大投资,实现了超车,在日本半导体行业最擅长的DRAM领域打败了当时的世界第一NEC(1992年)。

李健熙抓住日美进行芯片战的绝佳机会,带领三星半导体成功逆袭上位

不同于大型主机对DRAM质量和可靠性(可靠性保证25年)的高要求,PC对DRAM的主要诉求转变为低价。

DRAM的技术门槛不高,韩国、台湾等地通过技术引进掌握了核心技术,并通过劳动力成本优势,很快取代日本成为了主要的供应商。

1998年韩国取代日本,成为DRAM第一生产大国,全球DRAM产业中心从日本转移到韩国。

90年代中后期,Windows系统出现、海外廉价机和互联网普及,摧毁了在封闭温室下生长的日本PC产业,这对于日本半导体产业也是一个历史性的转折点,在即将到来的个人电脑时代,日本半导体企业失去了最后的筹码。

当然,日本半导体行业的败退,依旧离不开美国。

1986年第一次《美日半导体协议》虽然没能对日本半导体行业产生立竿见影的效果,但5年后的1991年6月美日又坐到了谈判桌前,再次签署了为期五年的第二次《美日半导体协议》。

第二次《美日半导体协议》内容大致与第一次类似,但就在这次协议的有效期内,发生了几件重要的事。韩国奋力追赶终于在1992年登顶,Intel的奔腾(Pentium,1993年)发布,“Wintel”联盟开始横扫,日本半导体行业的内忧外患聚齐了。

等到1996年7月第二次《美日半导体协议》到期时,日本已经经不起这样折腾了,所以强烈反对续约。但糟糕的是,一年后,席卷全球的亚洲金融危机爆发,东南亚和东亚首当其冲,日本当然没能幸免,这成了压垮骆驼的最后一根稻草,日本半导体行业的下坡路不可避免了。

1993年日本将半导体市场份额第一的宝座还给了美国,从此再也无缘登顶。

1995年,全球10大半导体公司中日本占4家,Intel跃升为全球半导体公司龙头,NEC、东芝及日立退居2、3、4名,三星电子及现代电子挤进前10。

1998年,韩国取代日本,成为DRAM第一生产大国,全球DRAM产业中心从日本转移到韩国。

1999年,富士通宣布退出DRAM芯片市场,曾经独霸天下的NEC、日立、三菱则将各自的DRAM部门合并成立尔必达(Elpida)。

2000年,日本DRAM份额已跌至不足10%。2000年,仅有NEC、东芝及日立进入全球10大半导体公司排行榜,三星电子仅落在东芝及NEC之后排名第4,Intel全球第一。

转型

为挽回半导体产业的颓败之势,日本半导体企业首先进行了结构性改革。除Elpida外所有其他的日本半导体制造商均从通用DRAM领域中退出,将资源集中到了具有高附加值的系统集成芯片等领域。

Elpida于2012年宣告破产,2013年被镁光购并,标志着日本在DRAM的竞争中彻底被淘汰。

但回过头我们再看日本半导体行业的实力,就要从最近几年的新闻入手:

2016年7月,日本软银以234亿英镑(约合310亿美元)的价格收购英国芯片设计公司ARM;

2019年7月,日本对韩国进行了半导体材料的出口限制,引发韩国半导体行业地震……

出现这样的情况,就能看到日本半导体行业的现状:相比八十年代全盛时确实衰落了很多,传统强项存储器几乎完全失守,但仍是国际半导体市场中一支重要的力量,在产业链上游比如半导体材料和设备等领域占据了相当的优势。

先看半导体材料。

芯片生产过程中需要19种必备材料,其中多数均有极高技术壁垒。而日本在硅晶圆、合成半导体晶圆、光罩等14种重要材料方面分别占据超过50%的份额,在全球半导体材料行业长期保持着优势。

在集成电路生产过程中,要利用光蚀刻技术将图形复制到晶圆上,就要用到光罩(光掩膜版)的原理。

而全球最大的光罩生产商是日本凸版印刷株式会社,至今已有119年历史。这家公司和美国Photronics、大日本印刷株式会社(DNP)三家占据了半导体光掩模市场80%以上的份额。

在靶材方面,全球前6大厂商市占率超过90%,其中前两大是日本厂商 Shin-Etsu和SUMCO,合计市占率超过50%。

使得光刻工艺得以实现选择性刻蚀的关键材料——光刻胶,目前其核心技术被日本和美国企业所垄断。JSR是全球最大的光刻胶生产商,另外信越化学、TOK、SUMCO均处于行业领先地位,日本占据了全球光刻胶产量的90%。

用于智能手机显示屏的含氟聚酰亚胺(PI),其中日本生产的含氟聚酰亚胺同样占据了约全球产量的90%。值得一提的是,氟化氢目前中国国产化较高,高工工业研究所的调研报告显示,2018年中国氟化氢生产线有103条,年产能达192.1万吨,实际产量158.8万吨。

然后我们再来看看半导体设备。

在半导体设备领域,核心装备集中于日本、欧洲、美国、韩国四个地区,Gartner的数据显示,列入统计的、规模以上全球晶圆制造设备商共计58家,其中,日企最多,达到21 家,占 36%。

其次是欧洲的13家、北美10家、韩国7家,中国4家(上海盛美、上海中微、 Mattson(2017年亦庄国投收购)和北方华创,仅占不到 7%)。

美国半导体产业调查公司VLSI Research发布2018年全球TOP 15半导体生产设备厂商,其中日企独占7席(日本第一的半导体设备厂商东京电子(TEL)高居第三,仅次于美国Applied Materials和ASML)。

半导体领域必备的26种设备中,日本企业在10种设备所占的市场份额超过50%,在电子束描画设备、涂布/显影设备、清洗设备、氧化炉、减压CVD设备等重要前端半导体设备几乎垄断市场,在后端半导体设备,日本的划片机和成型器也是世界第一,此外日本还是三款重要后端检测设备的霸主。

结语

纵观日本半导体行业从1970年代至今,其实有一些经验是可以学习的。

起步低不代表长不大。

日本的电子制造业正是从收音机开始做起,最后在半导体技术方面跻身全球一流。

我们一直对当前中国电子制造业所从事的低端生产存有偏见,认为中国电子制造业就是以富士康为代表的产品组装,中国电子制造业的精密制造就是生产以线束连接器为代表的低端产品,但日本例子告诉我们起步低但依然可以通过后续追赶而 在全球市场拥有一席之地,中国智能机行业近年来的发展也证实这一可能。

模仿可以短期内获得最大的进步。

日本DRAM行业发展壮大的历程告诉我们,通过模仿龙头产品可以短期之内获得与龙头同台竞技的资格。

此外,韩国DRAM也是靠模仿日本而壮大,相信中国电子制造业在创新型模仿的战略下并结合自身实际,可以迅速赶上龙头国家。

举国体制是发展高精尖制造业的有效方式。

1976年日本的“VLSI 技术研究所”共耗资720亿日元,其中政府出资320 亿,企业界筹集400亿日元,最后日本得以先于美国研发64k集成电路、256k动态储存器,完成对美国技术的赶超,奠定了日本在 DRAM 市场的霸主地位。

包括韩国在内也采用举国体制发展半导体,1983年韩国公布“半导体工业振兴计划”,韩国政府共投入了3.46亿美元的贷款,并激发了20亿美元的私人投资,促进了韩国半导体产业的发展。

当前中国也开启了扶持半导体大基金计划,已经开启了第二期的投资,日本和韩国的例子告诉我们对于落后者而言,举国体制是发展高精尖制造业的有效方式,中国的半导体大基金计划对半导体的发展有实实在在的推动作用。

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