“芯片短缺”和“建造晶圓廠”現(xiàn)已成為各國政府和企業(yè)界領袖們最為關注和頭疼的問題。芯片與全球經(jīng)濟和各國GDP有什么相關性呢?半導體前沿技術的研發(fā)跟半導體產(chǎn)業(yè)又有什么關系呢?從全球頂級半導體學術會議和研究機構發(fā)表的論文數(shù)量可以推斷出哪個國家的未來芯片研發(fā)實力最強嗎?
本文簡要列舉和介紹了三大頂級國際半導體學術會議，以及三個知名的半導體研究機構。我們根據(jù)德國技術和地緣政治研究智庫SNV的最新報告《Who is developing the chips of the future?》，揭示出過去25年來美國、日本、歐盟、中國大陸和臺灣，以及韓國的半導體技術論文發(fā)表數(shù)量與其各自半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關性。我們由此可以預測未來10年半導體前沿技術的研究與半導體產(chǎn)業(yè)的相互促進關系，并特別對中國、美國、日本和歐盟進行了對比。
芯片與GDP相關性越來越強
過去40年來，全球半導體產(chǎn)業(yè)與世界GDP相互促進和影響的關系越來越明顯。電腦、手機和消費電子現(xiàn)已發(fā)展成為跟汽車和石油行業(yè)同樣規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。就跟汽車需要石油一樣，所有電子產(chǎn)品都需要半導體芯片。根據(jù)IC Insights的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，上世紀80年代半導體與全球GDP的相關性還比較弱(相關系數(shù)為0.35)，90年代甚至出現(xiàn)負相關的現(xiàn)象。自2000以來，IC與GDP二者的相關性表現(xiàn)得越來越強。21世紀的第一個10年相關系數(shù)為0.63，而第二個10年相關性則上升到0.85。IC Insights預測，從2019年到2024年，這一相關系數(shù)有可能達到0.9。
IC Insights分析認為，經(jīng)過60多年的發(fā)展，半導體行業(yè)逐漸趨于成熟，一輪又一輪的并購和洗牌導致半導體產(chǎn)業(yè)逐漸集中在少數(shù)國家和廠商手中。就跟鋼鐵、石油和汽車等傳統(tǒng)行業(yè)一樣，半導體在整個GDP中占比越來越高，這是IC和GDP相關性越來越強的主要原因。
另外一個原因是IC市場逐漸從工業(yè)/商用應用為主轉向以消費電子為主導，20年前大約60%的IC市場需求來自工業(yè)/商業(yè)應用，而現(xiàn)在則相反，以PC和手機為領頭羊的消費電子需求成為IC市場的主要驅動力。
筆者認為還有一個地緣經(jīng)濟轉移的原因，即全球經(jīng)濟逐漸從歐美日等發(fā)達國家為主轉向發(fā)展中國家快速增長的多元化經(jīng)濟。伴隨著這一趨勢，全球半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)生了三次重大轉移。首先是從美國到日本的轉移，然后是從日本到韓國和中國臺灣的轉移，而目前正處于從美國、日本、韓國和中國臺灣往中國大陸轉移的階段，也許2020年將成為這次轉移的分水嶺。
從下面的SNV報告中我們可以更為清晰地看出半導體產(chǎn)業(yè)轉移的跡象。
世界三大半導體頂級學術會議
美國、中國大陸和臺灣、歐洲、日本和韓國最近紛紛出臺半導體制造刺激政策舉措，似乎大家都將注意力放在如何補貼晶圓廠和增加晶圓產(chǎn)能上了。這可以理解，畢竟現(xiàn)代晶圓制造是資本和技術高度密集型產(chǎn)業(yè)，也是未來國力競爭的關鍵。但半導體行業(yè)在能源效率、可持續(xù)性發(fā)展和新材料等方面也面臨著許多技術挑戰(zhàn)。因此，半導體供應鏈上每個環(huán)節(jié)的研發(fā)都是必不可少的，從基礎材料、芯片設計到最新工藝節(jié)點。可以肯定地說，半導體材料和器件的研究，跟芯片設計和晶圓制造工藝同樣重要。
半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要歸功于全世界半導體領域的專家學者和企業(yè)界的長期協(xié)作。每年在美國、日本和歐洲等地都有很多學術交流會議，大學、研究機構和企業(yè)的學者專家都會發(fā)表很多半導體前沿技術領域的論文。下面對全球范圍內影響比較大的三個頂級學術會議給予簡要介紹(SVN報告的主要數(shù)據(jù)也是來自這三大學術會議的論文統(tǒng)計)。
國際電子器件會議 (IEDM, www.ieee-iedm.org)
IEEE國際電子器件會議 (IEDM)是一個年度微電子和納米電子學術會議，主要涵蓋半導體和電子器件技術，從設計、制造、物理、模型和電路-器件交互方面的技術創(chuàng)新。IEDM 始于1955 年，每年12月份舉行。
IEDM也是“摩爾定律”這一專有名稱的發(fā)源地。英特爾創(chuàng)始人之一Gordon Moore于1965年在《電子》雜志上發(fā)表一篇預測芯片中晶體管數(shù)量增長速度(每隔大約兩年就翻倍)的文章，10年后他在一次IEDM會議演講中更為明確地闡明了這一預測，從此以后業(yè)界就稱這一預測為“摩爾定律”。
參加IEDM會議的代表有來自世界各地的學者、科學家、工程師、企業(yè)高管和政府機構人員，主要議題包括納米級CMOS晶體管技術、先進存儲器、顯示技術、傳感器/MEMS器件、量子和納米器件、光電器件、功率器件、能量采集技術和超高速器件，以及半導體工藝技術、芯片設計和仿真等。此外，該會議也會討論和展示硅基、化合物和有機半導體材料和器件的最新研究進展。
由于疫情原因，2020年IEDM會議通過線上虛擬會議的形式于12月12-18日舉行，本次會議的主要議題包括：IMEC代表討論邏輯器件繼續(xù)擴展的方法;美光的代表介紹先進存儲器的技術創(chuàng)新;三星代表展望未來的半導體共生技術;英特爾代表討論3D堆疊納米紙晶體管結構;TSMC展示其5nm CMOS FinFET工藝;以及AI和量子計算等。
國際固態(tài)電路會議(ISSCC，www.isscc.org)
由IEEE固態(tài)電路協(xié)會主辦的國際固態(tài)電路會議(ISSCC)是一個專注于固態(tài)電路和系統(tǒng)級芯片(SoC)最新技術的全球論壇，為來自世界各地的IC設計工程師提供了一個站在技術前沿與業(yè)界專家交流溝通的機會。該會議起始于1954年，每年2月份在舊金山舉行。
ISSCC現(xiàn)在設有如下小組委員會：模擬、數(shù)字轉換器、能效數(shù)字(EED)、高性能數(shù)字(HPD)、成像、MEMS、醫(yī)療和顯示(IMMD)、存儲器、RF、技術方向(原新興技術)、無線和有線。另外，還按區(qū)域設有歐洲分會和遠東分會。
VLSI技術和電路研討會(VLSI，www.vlsisymposium.org)
VLSI技術和電路研討會是兩個緊密相關的國際會議，研討議題涉及半導體技術和電路，從工藝技術到系統(tǒng)級芯片設計都有覆蓋。
該研討會每年6月份召開，分別在日本京都和美國檀香山輪流舉行。參與人員包括來自企業(yè)和學術界的管理人員、工程師和科學家，一起討論交流超大規(guī)模集成電路(VLSI)的設計和制造面臨的難題。
世界三大半導體研究機構
IMEC
校際微電子中心(IMEC)是一個專注于納米電子、半導體和數(shù)字技術領域的國際性研發(fā)機構，于1984年在比利時成立。2016年，IMEC與Flemish數(shù)字研究中心iMinds合并。IMEC目前有來自90多個國家的4000個研究人員，在歐洲、亞洲和北美擁有7個研究實驗室，并擁有一個1.2萬平方米的凈化車間用于半導體工藝處理。
IMEC素以納米技術的工業(yè)應用及縮小處理器和存儲器功耗的微電子技術而著稱，是當今世界最先進的芯片研發(fā)先鋒，被公認為納米電子研究領域的世界領導者。
CEA-Leti
CEA-Leti作為法國可替換能源和原子能委員會(CEA)下屬的非盈利研究機構，于1967年成立，現(xiàn)已發(fā)展成為全世界最大的微電子和納米技術應用研究機構之一。該機構旨在幫助企業(yè)界合伙伙伴打通基礎研究與制造之間的流程，現(xiàn)有1900名研究人員(其中40%都是非法國籍的外國人士)，并與250多家企業(yè)合作伙伴建立有研發(fā)協(xié)作項目，其中包括多家國際半導體巨頭。
CEA-Leti總部位于法國科技中心Grenoble，累積擁有專利3100多項。該機構擁有多個微電子和納米技術研發(fā)實驗室、200mm和300mm晶圓生產(chǎn)線，以及一個1.1萬平方米的凈化車間。其一流的實驗室和設備可支持研究人員在納米級物理、化學和生物，以及光電及其它領域的基礎研究。
新加坡科技研究局(A*STAR)
新加坡科技研究局(A*STAR)是新加坡貿(mào)易和工業(yè)部下屬部門，于1991年成立，旨在促進新加坡在關鍵科技領域的研發(fā)實力和競爭力。其主要研究領域包括：制造、貿(mào)易和協(xié)作、醫(yī)療健康、城市可持續(xù)發(fā)展，以及智能國家和數(shù)字經(jīng)濟。
A*STAR擁有先進的研發(fā)實驗設施，在半導體和微電子領域的研究課題包括射頻RF、功率電子、MEMS、存內計算及AI硬件等。
芯片前沿技術研究哪家強?
德國智庫SNV從量化統(tǒng)計的角度，對比了過去25年來(1995-2020)幾個主要國家和地區(qū)在半導體先進技術研發(fā)方面的貢獻。具體來說，就是按照每個國家/地區(qū)在三大半導體學術會議上發(fā)表的論文數(shù)量來衡量其研發(fā)實力。根據(jù)其報告，總結出如下洞見。
一、過去25年來，美國和日本是芯片前沿技術研發(fā)的領導者
下圖顯示了過去 25 年(1995-2020 年)來每個國家/地區(qū)的累積論文貢獻。例如，過去25 年來，中國臺灣的研究機構、大學或企業(yè)在所有三個會議(IEDM、ISSCC、VLSI)上共發(fā)表了 1201 篇論文。也就是說，在這1201 篇論文中，每篇至少有一位作者來自臺灣。
從這張圖可以看出，美國和日本的企業(yè)、機構和大學對半導體研發(fā)的貢獻最為突出。在過去的 25 年中，這兩個國家的論文貢獻超過了世界其他國家/地區(qū)的總和(分別為10,338篇和8,187篇)。雖然各國的研究實力隨著時間的推移而變化(尤其是日本)，但其對全球半導體研發(fā)的整體重要性和貢獻是巨大的。
另外，全球只有少數(shù)國家或地區(qū)在開發(fā)未來的芯片。美國、日本、歐洲、韓國、臺灣地區(qū)和中國大陸不僅是半導體價值鏈最為重要的地區(qū)，也是迄今為止半導體研發(fā)最重要的地區(qū)。在過去 25 年中，美國、日本、韓國、臺灣地區(qū)和比利時這五個主要地區(qū)貢獻了大約 75% 的論文。
二、美國和歐盟擁有穩(wěn)定且強大的研發(fā)實力
下圖顯示了美國和歐盟28國(包括英國)每年的論文貢獻份額。例如，2005 年，歐盟國家共同撰寫了所有會議論文的21%，而美國撰寫了所有會議論文的 40%。
美國是毋庸置疑的半導體研發(fā)強國—平均每年超過40%的會議論文是由美國組織或機構撰寫或合作完成的。當然，美國能夠在過去 25 年來始終保持如此高水平的研發(fā)貢獻，部分原因應歸功于美國龐大的芯片設計產(chǎn)業(yè)。近30年來，美國半導體公司控制著全球芯片市場(銷售額)的 50% 左右。由于半導體行業(yè)是利潤率和研發(fā)投入占比最高的行業(yè)之一，半導體公司平均會將其營收的18% 投入到研發(fā)中。更高的收入轉化為更強的研發(fā)實力，自然帶來更強的競爭力和利潤，從而形成了相互促進的良性循環(huán)。
此外，歐盟在過去 25 年中的論文貢獻幾乎翻了一番(1995 年：13%，2020 年：25%)，然而30年來歐洲半導體公司在全球市場上的份額始終不超過10%。將一個國家/地區(qū)的研究能力與其市場份額進行比較，可以看出其技術創(chuàng)新轉化為產(chǎn)品的成功率。與研究能力相比，歐洲的市場份額明顯不匹配，這表明歐洲半導體生態(tài)系統(tǒng)從研發(fā)中獲取價值的能力存在著潛在的障礙和低效問題。
三、歐盟各國中，擁有領先 RTO 的成員國貢獻最大
下圖顯示出歐盟成員國每年論文貢獻的相對份額。例如，2020 年比利時撰寫了所有會議論文的 8.7%，而法國貢獻了6.1%。這張圖表中歐盟成員國的累計貢獻會高于上一張圖表中歐盟的總貢獻，這是因為同一篇論文可能由來自法國、比利時和德國的三位作者共同撰寫(對整個歐盟算為一篇，而具體到成員國則算為3篇)。
由上圖可以看出，歐盟的絕大多數(shù)研發(fā)力量來自少數(shù)幾個成員國——比利時、法國、德國、荷蘭、意大利和英國在過去 25 年中一直占歐盟論文貢獻的 80% 以上。2020 年，僅比利時和法國就占歐盟論文貢獻總額的一半以上。
比利時、法國和德國這三個論文貢獻最多的成員國，同時也擁有重要的半導體研究和技術組織(RTO)：IMEC(比利時)、CEA-Leti(法國)和Fraunhofer(德國)。比利時的論文貢獻份額在過去 25 年中大幅增加，因為 IMEC處于晶圓工藝節(jié)點研發(fā)的最前沿，在設計和制造更小的晶體管方面與臺積電、三星、英特爾和其他芯片公司保持著密切合作。
四、中國大陸、韓國和臺灣地區(qū)的研發(fā)實力明顯增強
下圖顯示了中國大陸、韓國和臺灣地區(qū)每年論文貢獻的相對份額。例如，在2014年提交的所有會議論文中，中國大陸貢獻了5%;韓國貢獻了8.8%;臺灣地區(qū)貢獻了13%。
首先，中國大陸、韓國和臺灣地區(qū)在半導體研發(fā)中扮演著越來越重要的角色——這三個國家/地區(qū)共同貢獻了2020年所有會議論文的1/3以上。它們不僅僅是半導體價值鏈的制造中心，而且已經(jīng)深入到未來芯片的研發(fā)中。
其次，中國大陸在過去十年來的研發(fā)能力提升最為明顯，這與華為海思、中芯國際和匯頂科技等具有全球競爭力的中國半導體公司的崛起是密切相關的。雖然中國在整個半導體價值鏈上仍然高度依賴外國技術供應商，但其原創(chuàng)研究論文的貢獻已經(jīng)高于比利時。
第三，由于韓國和臺灣地區(qū)是最重要的先進晶圓制造基地，因此他們的企業(yè)(臺灣的臺積電，韓國的三星和SK海力士)和研究機構(臺灣的工研院)也在大量參與芯片研發(fā)。
五、日本和中國正好相反，日本份額下降的同時中國份額在上升
下圖顯示了中國和日本的組織和大學每年在所有三個會議中論文貢獻的相對份額。比如2015 年，日本貢獻了所有會議論文的18%，而中國僅貢獻了3.8%。
從上圖可以看出，日本的研發(fā)能力在過去 25 年中顯著下降—1995年接近 40%，而到2020年下降到低于10%。日本在半導體價值鏈中的整體份額也是如此：在 1990 年的全球10大半導體公司(銷售額)中，有六家都是日本公司，而到2020 年沒有一家日本公司進入前 10 名。
與此相反，中國的發(fā)展則令人印象深刻。就在 10 年前，中國在論文貢獻上幾乎沒有任何份額。而最近5年來，中國逐漸逼近日本，并最終在2020年超越日本。作為后來者，中國是25年來增長最快的地區(qū)，其份額從2015年的4%增加到2020年的10%。
六、歐盟第一大研究伙伴是美國，中國超過日本成為第二
下圖顯示了歐盟與外國之間的合作論文數(shù)量。我們特意選擇了歐盟與中國、日本和美國的研究合作。圖表的下半部分顯示了歐盟的論文貢獻總數(shù)。2020年，歐盟與中國組織或大學合作發(fā)表論文共11篇(占歐盟164篇論文的7%)，與日本合作發(fā)表論文4篇(占歐盟論文總數(shù)的2%)，而與美國合作的論文高達34篇(占比21%)。
由此可以看出，對于歐洲而言，迄今為止最重要的研發(fā)合作伙伴一直是美國。在過去五年中，歐盟至少 15% 的論文是與美國研發(fā)合作撰寫的。有趣的是，緊隨其后的是中國—自2016 年以來，歐盟與中國合作的論文超過了與日本的合作數(shù)量。
七、中國重視與研發(fā)強國合作
下圖顯示了中國與外國合作的論文數(shù)量。我們列舉了中國與歐盟、臺灣地區(qū)和美國的論文合作。2005 年，中國貢獻了 3 篇會議論文，其中一篇是與臺灣合作的，還有一篇是與美國合作的。
作為半導體行業(yè)的快速跟進者，中國從一開始就注重研究方面的合作。中國最重要的研發(fā)合作伙伴分別是美國和歐盟：中國有近一半的會議論文是與歐盟或美國合作撰寫的。
圖表的下半部分顯示出自2010年以來中國研發(fā)合作的增長速度和幅度。
結語
是誰在開發(fā)未來的芯片?在半導體前沿技術方面，哪國最強?通過以上分析不難回答這個問題。從學術論文的發(fā)表數(shù)量來看，過去 25 年來發(fā)生了很大變化，尤其過去10 年更是明顯。
首先，盡管美國一直擁有且將持續(xù)其半導體研究強國的地位，但亞洲國家和地區(qū)—特別是中國大陸、韓國和臺灣地區(qū)—發(fā)揮的作用越來越重要。在高度依賴研發(fā)的半導體價值鏈中，這應該不足為奇：臺灣地區(qū)和韓國目前是世界上唯一擁有最先進7nm 及以下工藝制造能力的地區(qū)。為了推進前沿技術和發(fā)展未來的制造工藝，臺積電(臺灣)和三星(韓國)等公司大量投資于研發(fā)，他們通常與歐洲 RTO 或美國芯片設計公司合作。因此，中國大陸、韓國和臺灣地區(qū)不僅是全球芯片制造中心，而且也是美國和歐盟重要的研究合作伙伴。
其次，研究合作發(fā)揮著越來越重要的作用。雖然眼下美國、中國和歐盟在半導體政策上有各自的主張，似乎“技術主導權”、“國家安全”和“自給自足”是話題焦點，但半導體研究和學術界的國際合作仍在不斷加強：1995 年只有 11%的美國論文是與外國研究伙伴共同撰寫的，而在2020 年，大約 36% 的美國論文是基于國際合作的。與 1970 年代相比，現(xiàn)今要保持與摩爾定律同步發(fā)展，研究人員需要增加18倍。可以說，加強國際研究合作是應對半導體行業(yè)未來技術挑戰(zhàn)的唯一途徑。因此，各國政策制定者都應該鼓勵半導體研究方面的國際合作。
第三，半導體市場份額的減少似乎與研發(fā)能力的下降是同步的：日本的全球芯片銷售額從 1990 年的 49% 下降到 2020 年的僅 6%，同時期其研究論文貢獻從 1995年的 40% 下降到2020 年不足10%。這種同步趨勢是簡單地巧合發(fā)生還是有因果關系，僅通過論文數(shù)量這些數(shù)據(jù)分析顯然無法完整回答。再看歐盟，其研發(fā)能力遠高于其獲得的市場份額，這要部分歸功于歐盟非常成功的 RTO，包括 imec、CEA-Leti 和 Fraunhofer。
盡管我們不能簡單地從研究論文貢獻量來推斷一個國家或地區(qū)的半導體市場份額，但長期來看二者的相關性還是值得關注。這對中國半導體產(chǎn)業(yè)有什么啟示呢?筆者總結三點，供業(yè)界同仁參考。
1、過去10年，我們重視與美國和歐盟在半導體研究領域的合作，相信這對中國半導體產(chǎn)業(yè)在技術、設計和制造方面都是有很大催化作用的。盡管美國政府在竭力阻止半導體先進技術對中國的出口，以遏制中國半導體產(chǎn)業(yè)的崛起，但我們仍然應該保持開放與合作的態(tài)度，特別是在學術研究領域，因為全球協(xié)作共贏的精神是誰也無法扼殺的。
2、歐盟的研發(fā)能力很強，但歐洲半導體公司并沒有表現(xiàn)出同樣強的市場競爭力，我們應以此為鑒，應該在技術創(chuàng)新與產(chǎn)品轉化方面理順流程，消除體制和溝通的低效率環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮學術研究能力的催化作用。
3、日本學術研究能力的下降與其半導體產(chǎn)業(yè)競爭力的下降同步，這一點也應該引起我們的警覺。我們的半導體產(chǎn)業(yè)有強大的應用需求驅動，銷售和利潤應該不是問題，但企業(yè)有可能將注意力都集中到“賺錢”上了，而忽視了與學術研究機構的合作。如果這樣的話，即便再強的學術研究能力，也難以轉化為有競爭力的技術和產(chǎn)品。
