“美国最重要的芯片正受制于人, 岂能安睡?” 两位年轻学者的忧思｜文化纵横_风闻

✪ Shubham Dwived i | 美国 乔治城大学

✪ Gr egory D. Wisc her | 美国 乔治城大 学

✪ 林西东(译) | 文化纵横新媒体

【导读】把中国塑造成对手，进而推动国内政策议程，已成为美国精英群体的一个流行做法。2022年以来，在拜登政府力推下，美国众议院公布《2022年美国竞争法案》，以中国主要竞争对象，计划推出520亿美元的芯片投资。

**本文指出，这一芯片法案偏重芯片的研发和增产，却严重忽略关键原材料的供应问题。作者以中国稀土为例，强调美国芯片制造所需的原材料，几乎完全依赖东亚，这对美国意味着极大的市场风险和地缘政治风险。**由于这些关键原材料尚无替代品，其产能一旦过分集中，将增加美国原材料供应中断的风险。作者尤其指出，中国既在芯片制造领域与美竞争，又是矿产、电子特气等一些关键材料的主供应商，而且未来还将扩大产能。这使博弈形势更加复杂。**他分析，美国也想扩大关键原材料的本土产能，但要解决这个问题并不容易。**美国劳动力成本更高，原材料生产的启动时间过长，而且芯片制造厂为了避免原材料出现杂质，通常不愿更换新供应商。而原材料生产还面临环保压力。这些因素都促使美国本土厂商更倾向于海外采购。尽管挑战重重，作者仍呼吁美国政府推出实质性激励措施，来发展原材料的本土生产，这不仅关乎美国的半导体制造业，还关乎美国的国家安全。

总的来说，这篇文章的写作思路并无新意，依然没有跳出借中国来推动美国国内政策目标的惯性思维。但文章对半导体产业全球竞争态势和对关键原材料供需格局的分析，或许能为我们思考相关问题提供线索。文章原载National Interest，原题为《关键原材料事关美国半导体供应链的成败》，由文化纵横新媒体编译首发，仅代表作者观点，供读者参考。

关键原材料事关

美国半导体供应链的成败

世界上最先进的半导体——先进制程逻辑芯片——是人工智能、量子计算、机器人以及先进无线网络等新兴“必争”技术的基础。这些技术在维护美国国家安全方面有着巨大潜力，这一点毋需说明。然而美国芯片制造所需的原材料，几乎完全依赖东亚，这对美国意味着极高的市场风险和地缘政治风险。虽然美国政府通过芯片法案，试图向半导体产业注入520亿美元并解决芯片供应的各种薄弱环节， 却忽略了半导体制造所必需的矿产、工业气体、化学制剂等关键原材料的重要性。

(原文网站截图)

▍关键原材料为何重要？

要制造先进制程逻辑芯片，至少需要三百多种原材料，矿产、工业气体和化学品在数量上仅占很小一部分，却有着举足轻重的作用。美国半导体行业协会对此有着更为直接的说法，“这些关键原材料在多数情况下尚无替代品，因此安全且持续的材料供应，对半导体生产至关重要。”国际半导体产业协会（SEMI）对原材料市场的评估高达404亿美元。该协会指出，鉴于芯片需求猛增，原材料需求也随之增加，这一数字势必扩大。

**目前，中国供应全球半导体市场13%的原材料，而东亚其他地区占比约57%，美国占11%。考虑到市场和地缘政治风险，这种压倒性的集中，使得美国原材料供应被中断的可能性大增。**由于芯片需求猛增，原材料供应商面临增产压力，同时也面临被制造商抢夺的局面。因此即便原材料按计划扩产，也不足以满足未来全球对关键原材料的需求。**同时中国的情况也使事情变得复杂：中国既在芯片制造领域与美竞争，同时又是一些关键材料的主要供应商。**正如美国安全和新兴技术中心所警告的那样：“中国公司是原材料的主要供应商，而美国原材料严重依赖进口，国内产能不足。”

中国、中国台湾、韩国、欧盟和美国都试图提升原材料产能。例如，2019年韩国宣布对原材料、组件和设备投资50亿美元。与此同时，中国主要原材料生产商，比如科华微电子材料公司，也在积极扩大业务和在美销售。

但是美国，相较之下，在解决这个问题上面临严峻挑战。**美国的劳动力成本相比外国竞争对手高 50%，而原材料生产的启动需要2-15年不等。**更令美国担忧的是，原材料的生产，面临杂质风险，这使得先进芯片制造厂通常不愿更换新的供应商。

因此，任何提升美国国内原材料产能的举措，都必须包括政府实质性的激励措施。

▍矿产：中国掌控着重要份额

矿产对于半导体制造的重要性不言而喻。其中最常用的是硅和砷化镓。单晶硅一直是基础半导体原材料，但化合物砷化镓因其优良的结构特性，正越来越多地取代硅。其他相关矿物，如稀土元素和钴，也扮演着关键角色。而芯片的扩产，导致这些矿物的需求水涨船高。例如，仅在2019年至2020年间，钴的需求就增长近30% 。从工艺制造的角度看，新型化合物是提高半导体器件性能和可靠性的必要条件，而新型化合物的商业化也促进了市场对其他矿物原料的需求。

多重压力之下，矿物供应链已变得紧张起来。后疫情时代的经济复苏，推动各个行业对矿物原料的需求，致使这些原料的生产成本和交货时间激增。自**2020年初以来，钌和铱等原料需求增长近三倍，铜、钴和铝的价格也一路飙升。**大量原材料工程受新冠疫情影响而被迫停产，也是促成全球供应链紧张的原因之一。**就在2021年，受中国硅原料减产影响，从8月到12月，硅价格上涨了300%。**在半导体产业链中，任何类似的生产中断都可能导致价值数亿美元的重大损失。由此可见，对于当下需求量暴增的电动汽车行业来说，如果这种供应风险持续存在，对可再生能源技术的影响必然十分严峻。

**从另一角度来看，美国所依赖的外国矿产资源来源相对单一， 这也是美国半导体供应链的危险之一。**2018年，美国地质调查局将35种矿物列为“对美国经济和国家安全至关重要的矿物资源”。其中30种矿物直接影响半导体制造，**其中23种矿物的美国进口依存度超过75%，其中 12 种对中国的进口依存度为100%。**截至2021 年，中国生产了全球60%的稀土资源，而美国仅生产15%。2017年至2020年间，中国是美国稀土进口的主要来源地，占78%。

因此，中国对于半导体矿产的占有，构成重大的地缘政治挑战。美国认为，中国已经表现出将其矿产市场影响力作为“武器”的意愿。在2010年的外交争端中，中国明确禁止向日本出口稀土资源。而后在2019年的中美贸易战期间，负责监督国家经济政策的中国国家发展和改革委员会提出警告，“任何试图用稀土制品来遏制中国发展的行为，都不会被全体中国人民所接受。”据报道，中国已经起草了稀土出口有关的管制条例，其中特别针对美国的国防工业。这些出口禁令以及出口配额，将会导致全球矿物资源价格的进一步上涨。同时，由于中国占有全球矿产储量的重要份额，中国对半导体制造关键原材料的控制将会继续下去，其中包括钨（51%）、锑（24%）和各种稀土元素（37%）。鉴于最近美国本土的所有稀土供应商进行了合并，中国对于矿物资源市场的占有只会更加强大。

美国政府正在努力——尽管有些随意——解决矿产资源问题。美国国防部已经给了澳洲莱纳斯稀土公司和美国MP稀土公司建造稀土加工设施的合同，美国能源部也正探索开发一个关键的矿物精炼厂。

▍工业气体：受俄乌战争影响严重

芯片制造的过程至少需要上百种工业气体。在沉积、光刻、蚀刻、掺杂、退火和腔室清洁等不同阶段，使用到的气体可分为两大类，大宗气体和电子特种气体。大宗气体，是通常所见的氮气、氧气、氩气、氦气、氢气和二氧化碳；而电子特种气体，则是在纯度、品种、性能等方面有特殊要求的纯气、高纯气或掺杂配制的二元或多元混合气，包括氨、硅烷、氯化氢、三氟化氮和笑气。更重要的是，高纯工业气体在生产先进制程逻辑芯片的过程中是不可替代的。随着美国扩产先进制程逻辑芯片和其他半导体芯片，美国对工业气体的需求可能会在未来三到五年内大幅增长。

**而东亚承担了大部分工业气体的供应。全球超过75%的电子特气源于韩国、日本、中国和中国台湾。**例如，中国生产了全球60%的氟石，而这是合成许多气体的关键成分，比如CF、NF3、HF、WF6 和 SF6。几乎所有的美国工业气体都需要依赖海外供应商：默克集团（德国，占据大部分市场）、中船重工718所、广东华特气体、南大光电、液化空气集团（法国）、林德集团（荷兰）、昭和电工（日本）、圆益 (韩国)、SK集团（韩国）和英特格（美国）。

正如人们所预料的，美国半导体行业已经面临工业气体的需求压力。美国技术咨询公司Linx Consulting的一份研究报告指出，“美国半导体的产能扩张和有机生产的需求，将对当前的电子特气供应链造成税负。美国需要投资更多的电子特种气体供应链与新建制造工厂配套，以满足更高的生产要求与扩充的产能。”如果美国面临工业气体短缺，这将严重地影响下游产业的正常生产。从这个角度看，蚀刻气体C4F6是不可替代的。每减少6000万-1亿美元的C4F6供应，将造成下游产业100亿-180亿美元的损失。

如上所述，工业气体市场面临巨大的地缘政治风险。半导体行业协会的警告直截了当：“美国工业气体供应不足，我们依赖外国进口，这可能会变得十分不稳定。”**正在进行的俄乌战争凸显了这种不稳定性。乌克兰为美国半导体制造提供了90%的高纯度氖气，然而，从2021年12月到2022年3月，停产使整体氖气价格上涨500%。**乌克兰也是氙气的主要生产国，供应量约占全球30%，用于半导体蚀刻制程。**而受到美国和欧洲制裁的俄罗斯，是氦气和C4F6的主要生产国之一。**虽然美国的主要芯片制造商大都储备了可供一年的工业气体，以防随时可能出现的供应短缺，但体量较小的芯片制造商几乎马上面临着供应问题。

为了满足美国急迫且不断增长的需求，日本、韩国和中国台湾正在扩大其工业气体的产能。实际上，东亚主要的工业气体生产商都在提升产能。**正如中国“十四五”规划所述，随着中国追求半导体产业自给自足，到2025年，中国在工业气体市场的份额必将进一步扩大。**这对美国而言无疑是值得担忧的。美国也相应增产工业气体，且尽可能在主要的半导体制造商附近选址。例如，荷兰林德集团就投资6亿美元，在亚利桑那州建设气体生产设施，而那里将建造台积电的新工厂。

▍化学制剂：不看成本，美国有可能自给自足

半导体制造使用大约五百种化学制剂，包括光刻胶、抛光液和湿化学品（如硫酸）。同样需要的是通用化学品，例如异丙醇和盐酸。鉴于其独特性，这些化学制剂没有替代品。正如人们猜测的，半导体的扩能，正拉动化学品的供应需求，尤其是用于EUV光刻机的光刻胶需求猛增。

**而东亚仍是化学制剂的主要供应商。**一个有说服力的例子是，日本的东京应化工业、JSR公司和信越化学工业等，控制着全球90%的EUV光刻胶的供应。这是制造先进制程逻辑芯片的关键化学品。正如预期的那样，中国是氢氟酸等湿化学品的主要生产国。反观美国国内，我们不生产先进制程逻辑芯片所必需的任何高纯度化学品，也没有扩大湿化学品的产能。而美国制造厂商也习惯从海外采购这些化学品。

对于超纯化学品而言，其低产能的特点，意味着供应中断的风险。专家预测，美国对硫酸的需求将提升37%，对氢氧化铵的需求将上涨46% 。**电子材料咨询公司TECHCET警告称，“美国可能在2023年面临化学品的短缺。”**这些化学品的独特性质，使芯片制造厂无法寻求其他化学品作为替代；各供应商参差的化学配方，也使轻易地更换供应商变得困难。而供应商的工厂事故（譬如日本住友化学工厂爆炸导致环氧树脂断供）和新生产规定（例如欧盟2020年提议限制半导体制造所必需的含氟化学品），都使原材料供应链变得羸弱不堪。

**这种风险其实一直存在：化学品的供应通常来自单一国家或公司，以至于任何地缘政治风险都会影响半导体的制造。**例如，中国台湾是超高纯度异丙醇的主要生产地，任何与大陆的关系变化都会波及供应。**在此之前，韩国已经忍受过地缘政治的后果。**日本生产全球约90%的氟化聚酰亚胺和70%的氟化氢，并且韩国90%的光刻胶都来自日本。当2019年7月日本限制向韩国出口光刻胶、氟化氢和氟化聚酰亚胺时，韩国半导体出口的潜在损失约每月84亿美元。

考虑到当下和未来对化学制品的明确需求，韩国和中国台湾正在加大对化学制品生产的投资。韩国政府设定2023年的生产目标：为本土供应商提供70%的电子化学品。同样，**中国大陆也在大力投资光刻胶生产，预计中国大陆光刻胶公司的产能，将在未来三到五年内实现大幅增长。**而在与制造商达成长期合作的背景下，日本也预计在不久之后主导全球化学品的供应。

在化学制剂的生产方面，美国只面临增加产能的挑战。平均来看，在美国国内生产化学制剂的成本，是亚洲工厂的五到六倍，但化学工厂的建设只需要两到三年时间。

▍事实不容乐观：美国需要立即采取行动

美国政府必须重视半导体的工业原料，不仅要关注产能增长，更要关注原料质量的提升。这关乎美国的国家安全。美国政府力推的520亿芯片法案着重提及半导体的研究和制造，却“痛苦地”忽视了矿物、气体和化学品。即便实现了当前的制造目标，**从长远来看，美国对东亚市场的严重依赖仍将构成重大风险。没有足够的原料，半导体制造是不可能的。**白宫的一份报告对此事很清楚：“任何原料的供应中断，都可能对美国的半导体制造产生深远影响。”

所以我们认为，美国必须提高国内的高纯度矿物、气体和化学品的产能和质量。否则美国的半导体制造业——以及美国国家安全——将继续高度依赖无法控制的外国因素。

**本文原载“National Interest”，原题为《关键原材料事关美国半导体供应链的成败》，由文化纵横新媒体编译。**欢迎个人分享，媒体转载请联系本公众号。