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“美國最重要的優(yōu)勢正受制于人”兩位年輕學者的思考

日期: 2022-05-19
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? “美國最重要的優(yōu)勢正受制于人”兩位年輕學者的思考

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“美國最重要的優(yōu)勢正受制于人”兩位年輕學者的思考



2022-05-19 來源:文化縱橫譯 作者:Shubham Dwivedi、Gr egory D. Wisc her?


把中國塑造成對手,進而推動國內(nèi)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,美國眾議院公布《2022年美國競爭法案》,以中國主要競爭對象,計劃推出520億美元的芯片投資。


本文指出,這一芯片法案偏重芯片的研發(fā)和增產(chǎn),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(diào)美國芯片制造所需的原材料,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。由于這些關鍵原材料尚無替代品,其產(chǎn)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,中國既在芯片制造領域與美競爭,又是礦產(chǎn)、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(chǎn)能。這使博弈形勢更加復雜。他分析,美國也想擴大關鍵原材料的本土產(chǎn)能,但要解決這個問題并不容易。美國勞動力成本更高,原材料生產(chǎn)的啟動時間過長,而且芯片制造廠為了避免原材料出現(xiàn)雜質(zhì),通常不愿更換新供應商。而原材料生產(chǎn)還面臨環(huán)保壓力。這些因素都促使美國本土廠商更傾向于海外采購。盡管挑戰(zhàn)重重,作者仍呼吁美國政府必須實質(zhì)性激勵等措施,來發(fā)展原材料的本土生產(chǎn),這不僅關乎美國半導體制造業(yè),還關乎美國的國家安全。


總的來說,這篇文章的寫作思路并無新意,依然沒有跳出借中國來推動美國國內(nèi)政策目標的慣性思維。但文章對半導體產(chǎn)業(yè)全球競爭態(tài)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(fā),僅代表作者觀點,供讀者參考。


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“美國最重要的優(yōu)勢正受制于人”兩位年輕學者的思考



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——先進制程邏輯芯片——是人工智能、量子計算、機器人以及先進無線網(wǎng)絡等新興“必爭”技術(shù)的基礎。這些技術(shù)在維護美國國家安全方面有著巨大潛力,這一點毋需說明。然而美國芯片制造所需的原材料,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。雖然美國政府通過芯片法案,試圖向半導體產(chǎn)業(yè)注入520億美元并解決芯片供應的各種薄弱環(huán)節(jié),卻忽略了半導體制造所必需的礦產(chǎn)、工業(yè)氣體、化學制劑等關鍵原材料的重要性。


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“美國最重要的優(yōu)勢正受制于人”兩位年輕學者的思考



▍關鍵原材料為何重要?


要制造先進制程邏輯芯片,至少需要三百多種原材料,礦產(chǎn)、工業(yè)氣體和化學品在數(shù)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(yè)協(xié)會對此有著更為直接的說法,“這些關鍵原材料在多數(shù)情況下尚無替代品,因此安全且持續(xù)的材料供應,對半導體生產(chǎn)至關重要?!眹H半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SEMI)對原材料市場的評估高達404億美元。該協(xié)會指出,鑒于芯片需求猛增,原材料需求也隨之增加,這一數(shù)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(qū)占比約57%,美國占11%??紤]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。由于芯片需求猛增,原材料供應商面臨增產(chǎn)壓力,同時也面臨被制造商搶奪的局面。因此即便原材料按計劃擴產(chǎn),也不足以滿足未來全球?qū)﹃P鍵原材料的需求。同時中國的情況也使事情變得復雜:中國既在芯片制造領域與美競爭,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(shù)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(nèi)產(chǎn)能不足?!?/span>


中國、中國臺灣、韓國、歐盟和美國都試圖提升原材料產(chǎn)能。例如,2019年韓國宣布對原材料、組件和設備投資50億美元。與此同時,中國主要原材料生產(chǎn)商,比如科華微電子材料公司,也在積極擴大業(yè)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(zhàn)。美國的勞動力成本相比外國競爭對手高 50%,而原材料生產(chǎn)的啟動需要2-15年不等。更令美國擔憂的是,原材料的生產(chǎn),面臨雜質(zhì)風險,這使得先進芯片制造廠通常不愿更換新的供應商。


因此,任何提升美國國內(nèi)原材料產(chǎn)能的舉措,都必須包括政府實質(zhì)性的激勵措施。


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▍礦產(chǎn):中國掌控著重要份額


礦產(chǎn)對于半導體制造的重要性不言而喻。其中最常用的是硅和砷化鎵。單晶硅一直是基礎半導體原材料,但化合物砷化鎵因其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)特性,正越來越多地取代硅。其他相關礦物,如稀土元素和鈷,也扮演著關鍵角色。而芯片的擴產(chǎn),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% 。從工藝制造的角度看,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(yè)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。后疫情時代的經(jīng)濟復蘇,推動各個行業(yè)對礦物原料的需求,致使這些原料的生產(chǎn)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(chǎn),也是促成全球供應鏈緊張的原因之一。就在2021年,受中國硅原料減產(chǎn)影響,從8月到12月,硅價格上漲了300%。在半導體產(chǎn)業(yè)鏈中,任何類似的生產(chǎn)中斷都可能導致價值數(shù)億美元的重大損失。由此可見,對于當下需求量暴增的電動汽車行業(yè)來說,如果這種供應風險持續(xù)存在,對可再生能源技術(shù)的影響必然十分嚴峻。


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從另一角度來看,美國所依賴的外國礦產(chǎn)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(zhì)調(diào)查局將35種礦物列為“對美國經(jīng)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制造,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(chǎn)了全球60%的稀土資源,而美國僅生產(chǎn)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,中國對于半導體礦產(chǎn)的占有,構(gòu)成重大的地緣政治挑戰(zhàn)。美國認為,中國已經(jīng)表現(xiàn)出將其礦產(chǎn)市場影響力作為“武器”的意愿。在2010年的外交爭端中,中國明確禁止向日本出口稀土資源。而后在2019年的中美貿(mào)易戰(zhàn)期間,負責監(jiān)督國家經(jīng)濟政策的中國國家發(fā)展和改革委員會提出警告,“任何試圖用稀土制品來遏制中國發(fā)展的行為,都不會被全體中國人民所接受。”據(jù)報道,中國已經(jīng)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(yè)。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,由于中國占有全球礦產(chǎn)儲量的重要份額,中國對半導體制造關鍵原材料的控制將會繼續(xù)下去,其中包括鎢(51%)、銻(24%)和各種稀土元素(37%)。鑒于最近美國本土的所有稀土供應商進行了合并,中國對于礦物資源市場的占有只會更加強大。


美國政府正在努力——盡管有些隨意——解決礦產(chǎn)資源問題。美國國防部已經(jīng)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(fā)一個關鍵的礦物精煉廠。


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▍工業(yè)氣體:受俄烏戰(zhàn)爭影響嚴重


芯片制造的過程至少需要上百種工業(yè)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、高純氣或摻雜配制的二元或多元混合氣,包括氨、硅烷、氯化氫、三氟化氮和笑氣。更重要的是,高純工業(yè)氣體在生產(chǎn)先進制程邏輯芯片的過程中是不可替代的。隨著美國擴產(chǎn)先進制程邏輯芯片和其他半導體芯片,美國對工業(yè)氣體的需求可能會在未來三到五年內(nèi)大幅增長。


而東亞承擔了大部分工業(yè)氣體的供應。全球超過75%的電子特氣源于韓國、日本、中國和中國臺灣。例如,中國生產(chǎn)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(yè)氣體都需要依賴海外供應商:默克集團(德國,占據(jù)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)。


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正如人們所預料的,美國半導體行業(yè)已經(jīng)面臨工業(yè)氣體的需求壓力。美國技術(shù)咨詢公司Linx Consulting的一份研究報告指出,“美國半導體的產(chǎn)能擴張和有機生產(chǎn)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制造工廠配套,以滿足更高的生產(chǎn)要求與擴充的產(chǎn)能?!比绻绹媾R工業(yè)氣體短缺,這將嚴重地影響下游產(chǎn)業(yè)的正常生產(chǎn)。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(chǎn)業(yè)100億-180億美元的損失。


如上所述,工業(yè)氣體市場面臨巨大的地緣政治風險。半導體行業(yè)協(xié)會的警告直截了當:“美國工業(yè)氣體供應不足,我們依賴外國進口,這可能會變得十分不穩(wěn)定?!?strong>正在進行的俄烏戰(zhàn)爭凸顯了這種不穩(wěn)定性。烏克蘭為美國半導體制造提供了90%的高純度氖氣,然而,從2021年12月到2022年3月,停產(chǎn)使整體氖氣價格上漲500%。烏克蘭也是氙氣的主要生產(chǎn)國,供應量約占全球30%,用于半導體蝕刻制程。而受到美國和歐洲制裁的俄羅斯,是氦氣和C4F6的主要生產(chǎn)國之一。雖然美國的主要芯片制造商大都儲備了可供一年的工業(yè)氣體,以防隨時可能出現(xiàn)的供應短缺,但體量較小的芯片制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(yè)氣體的產(chǎn)能。實際上,東亞主要的工業(yè)氣體生產(chǎn)商都在提升產(chǎn)能。正如中國“十四五”規(guī)劃所述,隨著中國追求半導體產(chǎn)業(yè)自給自足,到2025年,中國在工業(yè)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(chǎn)工業(yè)氣體,且盡可能在主要的半導體制造商附近選址。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(chǎn)設施,而那里將建造臺積電的新工廠。


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▍化學制劑:不看成本,美國有可能自給自足


半導體制造使用大約五百種化學制劑,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。鑒于其獨特性,這些化學制劑沒有替代品。正如人們猜測的,半導體的擴能,正拉動化學品的供應需求,尤其是用于EUV光刻機的光刻膠需求猛增。


而東亞仍是化學制劑的主要供應商。一個有說服力的例子是,日本的東京應化工業(yè)、JSR公司和信越化學工業(yè)等,控制著全球90%的EUV光刻膠的供應。這是制造先進制程邏輯芯片的關鍵化學品。正如預期的那樣,中國是氫氟酸等濕化學品的主要生產(chǎn)國。反觀美國國內(nèi),我們不生產(chǎn)先進制程邏輯芯片所必需的任何高純度化學品,也沒有擴大濕化學品的產(chǎn)能。而美國制造廠商也習慣從海外采購這些化學品。


對于超純化學品而言,其低產(chǎn)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% 。電子材料咨詢公司TECHCET警告稱,“美國可能在2023年面臨化學品的短缺?!?/strong>這些化學品的獨特性質(zhì),使芯片制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(huán)氧樹脂斷供)和新生產(chǎn)規(guī)定(例如歐盟2020年提議限制半導體制造所必需的含氟化學品),都使原材料供應鏈變得羸弱不堪。


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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,以至于任何地緣政治風險都會影響半導體的制造。例如,中國臺灣是超高純度異丙醇的主要生產(chǎn)地,任何與大陸的關系變化都會波及供應。在此之前,韓國已經(jīng)忍受過地緣政治的后果。日本生產(chǎn)全球約90%的氟化聚酰亞胺和70%的氟化氫,并且韓國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、氟化氫和氟化聚酰亞胺時,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制品的明確需求,韓國和中國臺灣正在加大對化學制品生產(chǎn)的投資。韓國政府設定2023年的生產(chǎn)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(chǎn),預計中國大陸光刻膠公司的產(chǎn)能,將在未來三到五年內(nèi)實現(xiàn)大幅增長。而在與制造商達成長期合作的背景下,日本也預計在不久之后主導全球化學品的供應。


在化學制劑的生產(chǎn)方面,美國只面臨增加產(chǎn)能的挑戰(zhàn)。平均來看,在美國國內(nèi)生產(chǎn)化學制劑的成本,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。


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▍事實不容樂觀:美國需要立即采取行動


美國政府必須重視半導體的工業(yè)原料,不僅要關注產(chǎn)能增長,更要關注原料質(zhì)量的提升。這關乎美國的國家安全。美國政府力推的520億芯片法案著重提及半導體的研究和制造,卻“痛苦地”忽視了礦物、氣體和化學品。即便實現(xiàn)了當前的制造目標,從長遠來看,美國對東亞市場的嚴重依賴仍將構(gòu)成重大風險。沒有足夠的原料,半導體制造是不可能的。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制造產(chǎn)生深遠影響?!?/span>


所以我們認為,美國必須提高國內(nèi)的高純度礦物、氣體和化學品的產(chǎn)能和質(zhì)量。否則美國的半導體制造業(yè)——以及美國國家安全——將繼續(xù)高度依賴無法控制的外國因素。


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