北京時間8月9日近23點，美國總統拜登簽署價值2800億美元（折合約18906億人民幣）的《美國芯片和科學法案》，包含超520億美元（折合約3511億人民幣）的補貼，支持美國芯片制造。此筆款項將用於扶持美國芯片行業在美國本土建廠。
出席此項法案簽署儀式的成員包括美國存儲芯片巨頭美光科技 CEO 桑賈伊·梅洛特拉、老牌美國科技巨頭惠普CEO恩裡克·洛雷斯、全球最大CPU供應商英特爾CEO帕特·基辛格、第二大 CPU 供應商 AMD 掌門蘇姿豐和美國航空航天制造商洛克希德·馬丁 CEO 詹姆斯·泰克萊特，以及內閣政府官員和汽車行業領導人。
根據這項法案，美國政府將在 5 年內撥款 502 億美元，其中 2022 財年將撥款 240 億美元，2023 財年將撥款 70 億美元，2024 財年將撥款 63 億美元，2025 財年將撥款 61 億美元，2026財年將撥款 68 億美元。
值得關註的是，該法案主要的扶持對象是芯片制造商，將通過減稅等種種措施來扶持企業在美國本土建廠。然而，並不是所有芯片制造商都能得到政策扶持。這項法案惠及的大多是行業中的龍頭企業。
因此，這項舉措是利用市場篩選出最具實力的公司，讓這些行業的中堅力量獲得資源。這樣不僅省去美國政府重新規劃一個行業的精力，也讓資金支持更加落地有聲，能夠在短期內看到效果。
對於《芯片法案》給中國芯片制造行業帶來的深遠影響，以及國傢可能出臺的一系列舉措，本文暫且不深入討論。在這裡，我們隻對該法案產生的背景和芯片制造業的歷史做相關講解。我們將從美國的芯片行業如何從頂尖地位滑落開始探討。
一、美國是如何失去自制芯片的
美國曾經主導著芯片制造。1947 年，貝爾實驗室的科學傢創造世界上第一個晶體管，這是一種基本的電子開關，可以打開和關閉信號。
圖：貝爾實驗室的科學傢發明晶體管 | Vox.com
日本工程師 Tadashi Sasaki 當時在新澤西研究晶體管。Sasaki 設想將晶體管加到集成電路中，為他的公司夏普生產袖珍計算器。
為節省電力，這需要用到 CMOS 芯片，但由於生產計算器用的芯片利潤太低，隻有一傢美國公司接下這一單。而其他公司都在生產利潤豐厚的軍用芯片。
日本公司隨後掌握這項 CMOS 技術。而當 CMOS 在節能和促進小型化方面的潛力被發現時，日本公司已經處於領先地位。1980 年四傢領先的半導體公司中有三傢是美國公司，而 1990 年前四傢中有三傢是日本公司。
隨即，美國開始通過保護主義來掐斷日本的主宰。最終，美國和日本於 1986 年達成協議，讓日本公司通過提高價格和減少出口來將半導體市場的 20% 引流給美國公司。
而這一協議為韓國提供機會。彼時，韓國正面臨來自朝鮮的入侵危險，開始大力發展經濟以應對這一威脅。
1980 年左右，三星發現美日激烈爭奪的中心 —— DRAM 芯片是一個很有前景的出口領域。由於政府的貸款擔保，三星可以滿足半導體制造的大量投資要求。
隨後在 1983 年，三星終於從美國獲得 DRAM 技術。到 1990 年代初，三星已經成為領先的 DRAM 生產商，並在 2021 年繼續保持領先。
圖：DRAM 芯片 | Google
二、日韓之後，第三顆新星
雖然韓國在制造 DRAM 等存儲芯片方面占主導地位，但中國臺灣在生產中央處理單元和圖形處理單元等邏輯芯片方面處於領先地位。
中國臺灣的通貨膨脹率在 1973 年和 1974 年分別上升到 22.9% 和 40.6%，並在 1974 年失去來自日本的資金支持。面對多重危機，臺灣也采取優先發展經濟的策略，許多華僑主動提出無償幫助。
例如，著名的半導體技術的研發實驗室 ——大衛薩諾夫實驗室的負責人潘文元主持一個由海外華人研究人員組成的技術咨詢委員會（ TAC ）。
TAC 建議臺灣發展半導體產業。臺灣成立工業技術研究院（ITRI）監督其發展，並從 RCA 購買半導體技術。ITRI 招募 40 名工程師，其中一些擁有美國博士學位，他們努力研究這項技術。
工研院於 1979 年從聯合微電子公司和臺積電（TSMC）於 1987 年分拆出來。臺積電不設計集成電路，而是根據客戶的規格制造這些集成電路。隨後，更多類似的公司也在臺灣地區出現。而如今，臺積電已經成為世界第三大半導體公司。
圖：臺積電（TSMC）| Techgenix.com
亞洲經濟體還有另一個優勢。半導體行業需要對研發和資本形成進行大量持續投資。東亞經濟體擁有高私人儲蓄率和嚴格的財政政策。高國民儲蓄促進投資，使芯片制造商保持競爭力。
三、建立芯片工廠難在哪裡？
制造芯片，需要使用碳化矽，這是一種半導體材料，特別適用於驅動電機的芯片，比如電動汽車中的芯片。這種碳化矽呈半透明圓盤，稱為晶圓，由北卡羅來納州的 Wolfspeed 工廠提供。
該設施有一個特殊的熔爐，它的溫度是太陽表面的一半。一旦這些碳化矽晶圓 被送到 Wolfspeed 的工廠，它們就會被送到制造車間，由機器人將它們轉化為芯片。
芯片制造極其精細，哪怕是最微小的灰塵或人類頭發都可能污染整批芯片——因此芯片制造車間必須極為潔凈。Wolfspeed 的制造車間受到高度監控，配備強大的空氣過濾系統。
在車間內，機器人在晶片中來回穿梭，而技術人員則在控制室監控他們的活動。這個過程包括光刻，即將微小的圖案印刷到晶圓上；以及薄膜沉積，即在碳化矽上逐層添加薄膜金屬。這些步驟完成之後，晶圓就會被送到流水線的下一步，被切割成單獨的芯片。
制造芯片是一個復雜的過程，對廠房的要求也很高。一方面，並不是隨便哪個地方都可以建立晶圓廠，它們附近需要有可靠的電力支持，因為它們一年要使用足夠 5 萬個傢庭生活所需的能源，也會釋放大量的碳。
這些工廠還需要靠近水體，用來清潔和冷卻設備，這反過來又會產生大量廢水。並且，它們也不能靠近任何機場或地質斷層線，地震活動會破壞他們使用的極其精確的機器。
然後是供應鏈的問題。在晶圓廠之外，制造芯片可能涉及 70 個不同的過境點和 1 千多個步驟，任何一步中的中斷都可能會使整個過程偏離正軌，因為設備出現問題時很少有其他供應選擇。例如，荷蘭隻有一傢公司 ASML 制造價值 2 億美元的專業光刻工具，許多先進芯片廠都依賴於這種工具。同時，隻有兩傢烏克蘭公司能提供這種設備需要的氖氣的一半。
“我們沒辦法獲得這些資源，”Wolfspeed 的首席技術官 John Palmour 說，“這隻是一場持續不斷的供應鏈爭奪。”
由於這些原因，建造一座晶圓廠的成本可能從 10 億美元到 200 億美元不等，具體取決於芯片的復雜性。由於這些工廠需要數年時間才能獲得批準和建設，芯片公司並不急於花費數十億美元建造更多工廠，因為需求總是會消退。這也是政府幹預和激勵工廠建設的一個原因。
價值 2800 億美元的《芯片和科學法案》通過後，對全球芯片產業的影響無疑是巨大的。但同時，它還規定，接受聯邦補貼的公司將在 10 年內不能夠進行任何“重大交易”以擴大其在中國或任何其他受關註國傢的芯片制造能力。
就這一點來說，雖然芯片制造商似乎有一些回旋餘地來保護其在中國的現有業務，但該立法的條款實際上為公司創造一個雷區，可能迫使他們在美國和中國之間做出選擇。
在公開場合，芯片制造商對該法案的通過表示歡迎。許多人已經承諾在美國投資—— 臺積電在亞利桑那州投資至少 120 億美元，三星在德克薩斯州投資 170 億美元。SK 海力士上周宣佈一項 150 億美元的投資計劃，美國的美國廠商英特爾和美光也在加大投資力度。
幾傢芯片制造商稱，法案將影響投資計劃，而一些芯片制造商，如臺積電創始人 Morris Chang，批評他們所提供的小規模支持。
而國內芯片產業目前在積極應對。政府或許也會出臺相應的政策，不僅僅是給予企業補貼，更應該動用各種手段，“團結一切可以團結的力量”，做好重點任務的統籌與協調，實現在半導體領域的科技自立自強。
原文鏈接：
I. America is trying to fix the chip shortage one factory at a time shorturl.at/eFRW9