“美國最重要的芯片正受制於人, 豈能安睡?” 兩位年輕學者的憂思｜文化縱橫_風聞

✪ Shubham Dwived i | 美國 喬治城大學

✪ Gr egory D. Wisc her | 美國 喬治城大 學

✪ 林西東(譯) | 文化縱橫新媒體

【導讀】把中國塑造成對手，進而推動國內政策議程，已成為美國精英羣體的一個流行做法。2022年以來，在拜登政府力推下，美國眾議院公佈《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和增產，卻嚴重忽略關鍵原材料的供應問題。作者以中國稀土為例，強調美國芯片製造所需的原材料，幾乎完全依賴東亞，這對美國意味着極大的市場風險和地緣政治風險。**由於這些關鍵原材料尚無替代品，其產能一旦過分集中，將增加美國原材料供應中斷的風險。作者尤其指出，中國既在芯片製造領域與美競爭，又是礦產、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能。這使博弈形勢更加複雜。**他分析，美國也想擴大關鍵原材料的本土產能，但要解決這個問題並不容易。**美國勞動力成本更高，原材料生產的啓動時間過長，而且芯片製造廠為了避免原材料出現雜質，通常不願更換新供應商。而原材料生產還面臨環保壓力。這些因素都促使美國本土廠商更傾向於海外採購。儘管挑戰重重，作者仍呼籲美國政府推出實質性激勵措施，來發展原材料的本土生產，這不僅關乎美國的半導體製造業，還關乎美國的國家安全。

總的來説，這篇文章的寫作思路並無新意，依然沒有跳出借中國來推動美國國內政策目標的慣性思維。但文章對半導體產業全球競爭態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，僅代表作者觀點，供讀者參考。

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——先進製程邏輯芯片——是人工智能、量子計算、機器人以及先進無線網絡等新興“必爭”技術的基礎。這些技術在維護美國國家安全方面有着巨大潛力，這一點毋需説明。然而美國芯片製造所需的原材料，幾乎完全依賴東亞，這對美國意味着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，試圖向半導體產業注入520億美元並解決芯片供應的各種薄弱環節， 卻忽略了半導體制造所必需的礦產、工業氣體、化學制劑等關鍵原材料的重要性。

(原文網站截圖)

▍關鍵原材料為何重要？

要製造先進製程邏輯芯片，至少需要三百多種原材料，礦產、工業氣體和化學品在數量上僅佔很小一部分，卻有着舉足輕重的作用。美國半導體行業協會對此有着更為直接的説法，“這些關鍵原材料在多數情況下尚無替代品，因此安全且持續的材料供應，對半導體生產至關重要。”國際半導體產業協會（SEMI）對原材料市場的評估高達404億美元。該協會指出，鑑於芯片需求猛增，原材料需求也隨之增加，這一數字勢必擴大。

**目前，中國供應全球半導體市場13%的原材料，而東亞其他地區佔比約57%，美國佔11%。考慮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。**由於芯片需求猛增，原材料供應商面臨增產壓力，同時也面臨被製造商搶奪的局面。因此即便原材料按計劃擴產，也不足以滿足未來全球對關鍵原材料的需求。**同時中國的情況也使事情變得複雜：中國既在芯片製造領域與美競爭，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，國內產能不足。”

中國、中國台灣、韓國、歐盟和美國都試圖提升原材料產能。例如，2019年韓國宣佈對原材料、組件和設備投資50億美元。與此同時，中國主要原材料生產商，比如科華微電子材料公司，也在積極擴大業務和在美銷售。

但是美國，相較之下，在解決這個問題上面臨嚴峻挑戰。**美國的勞動力成本相比外國競爭對手高 50%，而原材料生產的啓動需要2-15年不等。**更令美國擔憂的是，原材料的生產，面臨雜質風險，這使得先進芯片製造廠通常不願更換新的供應商。

因此，任何提升美國國內原材料產能的舉措，都必須包括政府實質性的激勵措施。

▍礦產：中國掌控着重要份額

礦產對於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良的結構特性，正越來越多地取代硅。其他相關礦物，如稀土元素和鈷，也扮演着關鍵角色。而芯片的擴產，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% 。從工藝製造的角度看，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。後疫情時代的經濟復甦，推動各個行業對礦物原料的需求，致使這些原料的生產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，也是促成全球供應鏈緊張的原因之一。**就在2021年，受中國硅原料減產影響，從8月到12月，硅價格上漲了300%。**在半導體產業鏈中，任何類似的生產中斷都可能導致價值數億美元的重大損失。由此可見，對於當下需求量暴增的電動汽車行業來説，如果這種供應風險持續存在，對可再生能源技術的影響必然十分嚴峻。

**從另一角度來看，美國所依賴的外國礦產資源來源相對單一， 這也是美國半導體供應鏈的危險之一。**2018年，美國地質調查局將35種礦物列為“對美國經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，中國生產了全球60%的稀土資源，而美國僅生產15%。2017年至2020年間，中國是美國稀土進口的主要來源地，佔78%。

因此，中國對於半導體礦產的佔有，構成重大的地緣政治挑戰。美國認為，中國已經表現出將其礦產市場影響力作為“武器”的意願。在2010年的外交爭端中，中國明確禁止向日本出口稀土資源。而後在2019年的中美貿易戰期間，負責監督國家經濟政策的中國國家發展和改革委員會提出警告，“任何試圖用稀土製品來遏制中國發展的行為，都不會被全體中國人民所接受。”據報道，中國已經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。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，由於中國佔有全球礦產儲量的重要份額，中國對半導體制造關鍵原材料的控制將會繼續下去，其中包括鎢（51%）、銻（24%）和各種稀土元素（37%）。鑑於最近美國本土的所有稀土供應商進行了合併，中國對於礦物資源市場的佔有只會更加強大。

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

▍工業氣體：受俄烏戰爭影響嚴重

芯片製造的過程至少需要上百種工業氣體。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、高純氣或摻雜配製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，高純工業氣體在生產先進製程邏輯芯片的過程中是不可替代的。隨着美國擴產先進製程邏輯芯片和其他半導體芯片，美國對工業氣體的需求可能會在未來三到五年內大幅增長。

**而東亞承擔了大部分工業氣體的供應。全球超過75%的電子特氣源於韓國、日本、中國和中國台灣。**例如，中國生產了全球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氣體都需要依賴海外供應商：默克集團（德國，佔據大部分市場）、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）。

正如人們所預料的，美國半導體行業已經面臨工業氣體的需求壓力。美國技術諮詢公司Linx Consulting的一份研究報告指出，“美國半導體的產能擴張和有機生產的需求，將對當前的電子特氣供應鏈造成税負。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，以滿足更高的生產要求與擴充的產能。”如果美國面臨工業氣體短缺，這將嚴重地影響下游產業的正常生產。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，將造成下游產業100億-180億美元的損失。

如上所述，工業氣體市場面臨巨大的地緣政治風險。半導體行業協會的警告直截了當：“美國工業氣體供應不足，我們依賴外國進口，這可能會變得十分不穩定。”**正在進行的俄烏戰爭凸顯了這種不穩定性。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，停產使整體氖氣價格上漲500%。**烏克蘭也是氙氣的主要生產國，供應量約佔全球30%，用於半導體蝕刻製程。**而受到美國和歐洲制裁的俄羅斯，是氦氣和C4F6的主要生產國之一。**雖然美國的主要芯片製造商大都儲備了可供一年的工業氣體，以防隨時可能出現的供應短缺，但體量較小的芯片製造商幾乎馬上面臨着供應問題。

為了滿足美國急迫且不斷增長的需求，日本、韓國和中國台灣正在擴大其工業氣體的產能。實際上，東亞主要的工業氣體生產商都在提升產能。**正如中國“十四五”規劃所述，隨着中國追求半導體產業自給自足，到2025年，中國在工業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。美國也相應增產工業氣體，且儘可能在主要的半導體製造商附近選址。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設施，而那裏將建造台積電的新工廠。

▍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。鑑於其獨特性，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，尤其是用於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。**一個有説服力的例子是，日本的東京應化工業、JSR公司和信越化學工業等，控制着全球90%的EUV光刻膠的供應。這是製造先進製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國。反觀美國國內，我們不生產先進製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能。而美國製造廠商也習慣從海外採購這些化學品。

對於超純化學品而言，其低產能的特點，意味着供應中斷的風險。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% 。**電子材料諮詢公司TECHCET警告稱，“美國可能在2023年面臨化學品的短缺。”**這些化學品的獨特性質，使芯片製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氧樹脂斷供）和新生產規定（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。

**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，以至於任何地緣政治風險都會影響半導體的製造。**例如，中國台灣是超高純度異丙醇的主要生產地，任何與大陸的關係變化都會波及供應。**在此之前，韓國已經忍受過地緣政治的後果。**日本生產全球約90%的氟化聚酰亞胺和70%的氟化氫，並且韓國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，韓國和中國台灣正在加大對化學制品生產的投資。韓國政府設定2023年的生產目標：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，預計中國大陸光刻膠公司的產能，將在未來三到五年內實現大幅增長。**而在與製造商達成長期合作的背景下，日本也預計在不久之後主導全球化學品的供應。

在化學制劑的生產方面，美國只面臨增加產能的挑戰。平均來看，在美國國內生產化學制劑的成本，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。

▍事實不容樂觀：美國需要立即採取行動

美國政府必須重視半導體的工業原料，不僅要關注產能增長，更要關注原料質量的提升。這關乎美國的國家安全。美國政府力推的520億芯片法案着重提及半導體的研究和製造，卻“痛苦地”忽視了礦物、氣體和化學品。即便實現了當前的製造目標，**從長遠來看，美國對東亞市場的嚴重依賴仍將構成重大風險。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生深遠影響。”

所以我們認為，美國必須提高國內的高純度礦物、氣體和化學品的產能和質量。否則美國的半導體製造業——以及美國國家安全——將繼續高度依賴無法控制的外國因素。

**本文原載“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。**歡迎個人分享，媒體轉載請聯繫本公眾號。