2020年底的芯片短缺引起了人们的广泛关注，最先进的半导体不再在美国生产，凸显了一种战略上的脆弱性。有趣的是，这种芯片短缺绝大部分由于所谓的传统芯片供应不足造成。总部设在美国的公司继续生产这些芯片，只是数量不足以满足国内制造商的需求。这种短缺不仅对像汽车这样的传统行业产生了不利影响，而且还影响到其他采用了一系列半导体技术的设备，包括微处理器、先进的微控制器、模拟和混合信号产品以及功率半导体，以及驱动显示器、解码音频、操作发动机和执行其他关键功能。这些组件的缺失给美国经济带来了巨大的破坏，促使我们更深入地研究所谓的传统芯片的战略意义。
什么是"传统"芯片？
"传统"或"主流"的半导体集成电路（IC），使用既定但仍在发展的制造工艺制造，通常在每个芯片上蚀刻较大的晶体管。2022年《CHIPS和科学法案》将传统设备定义为那些采用28纳米或更大技术生产的设备，并责成商务部为其他类型的芯片制定一个精确的定义。这一决定仍在等待中。“尖端"芯片的官方定义也尚未制定，但可以假定其适用于5纳米或以下的工艺节点。高度先进的10纳米和7纳米芯片处于定义的灰色地带，至少在美国商务部对其进行分类之前是如此。即便如此，在一项仍在遵循摩尔定律所预测的轨迹的技术中，这也是一种静态的区分：今天被认为是"传统"的东西不久前还是最先进的，而今天最先进的东西注定会成为明天的传统芯片。
传统芯片无处不在。虽然尖端芯片或微处理器在关键技术中有着广泛的应用，但传统芯片关系到大多数汽车、飞机、家用电器、宽带、消费电子、工厂自动化系统、军事系统和医疗设备的生产。这些设备在美国制造业经济中具有核心作用，这意味着传统芯片供应的中断会对美国制造业和下游经济活动产生负面影响。
尽管有这个名字，传统芯片并不是过时的技术。与"成熟"、"老旧"和"传统"等术语相关的内涵具有误导性，因为这些类别的芯片正在不断完善以满足新的要求和应用。例如，这些芯片的创新包括使用碳化硅半导体，预计将在经济去碳化中发挥重要作用。传统的芯片注定要在未来很长时间内与新兴产业和技术保持高度相关。
这些设备在美国制造业经济中具有核心作用，也就意味着传统芯片供应的中断会对美国制造业和下游经济活动产生负面影响。
因此，在晶体管尺寸方面，将传统芯片与前沿芯片区分开来，可能会限制我们对其战略和经济重要性的理解。“传统"一词本身是一个时代的传统物，当时军事应用是芯片创新的驱动力。最近旨在限制中国制造先进芯片的潜力，结果让中国在主流芯片方面进行创新的出口管制，反映了这种心态，掩盖了一个重大的弱点。
如果美国要保护其经济不受中国产业政策的影响，美国的战略思想家们就不能再单纯地从部件的尺寸上将芯片分为"先进"或"不先进"。相反，政策制定者必须更仔细地思考专门的传统芯片的重要性以及支持其生产和持续创新的政策。
2022年传统芯片短缺的影响
今天对传统芯片的广泛认识，受到疫情期间的芯片短缺的刺激。尽管当时以历史性的产量运作，但美国国内生产基地无法跟上国内需求的步伐。2022年初，美国商务部发布了一项针对芯片短缺的调查结果，发现企业面临最严重的短缺不是尖端芯片，而是40纳米节点或更大的传统芯片。目前美国的大部分芯片生产和全球的大部分生产都是由这些较高节点的设备组成。根据美国商务部的调查，到2022年初，美国的芯片工厂在90%或更高的产能下运行，"对于一个需要定期维护和非常多的能源的生产过程来说，这简直令人难以置信。"尽管有需求，但芯片制造商在短期内根本没有能力增加产量。
2021年拜登政府对美国半导体供应链的审查发现，美国依靠集中在中国台湾省、韩国和中国的来源来满足对各种非引线边缘的内存和逻辑芯片的需求，这些芯片被广泛用于无数的消费者和工业应用。2022年，商务部根据对150多家生产和消费半导体的美国公司的调查得出结论，芯片短缺正在"威胁着美国工厂的生产，并助长了通货膨胀"。商务部部长吉娜-雷蒙多在2022年1月25日说，"作为一个国家，我们所处的情况确实令人震惊，我们需要多么迫切地采取行动来增加我们的国内产能。"
考虑到半导体的生产需要许多个月，典型的汽车微控制器需要6到9个月，目前的供应反映了2022年生产量的提升，市场现在面临着某些种类芯片的供过于求。然而，汽车行业仍然面临着半导体的短缺。
为美国汽车行业供货
美国汽车业最近几个月的经验提供了关于传统芯片对汽车和卡车生产及相关经济活动重要性的重要教训。美国汽车工业几乎完全依赖传统的芯片，占其半导体总消耗量的95%。这是因为汽车行业使用的芯片必须达到"汽车级"的功能：芯片有能力承受以极端温度、湿度、灰尘、化学品、振动和电子干扰为特征的恶劣环境。这需要比先进的消费电子产品中的芯片更加坚固和接近"零缺陷"的性能。
因此，汽车行业在最近的传统芯片短缺中受害最深。从2020年开始，汽车级传统半导体的短缺和漫长的等待时间使美国汽车生产陷入瘫痪。尽管有人声称芯片供应问题是由于疫情对全球供应链的干扰，但疫情期间全球对芯片的需求激增和"及时"优化的汽车供应链更应承担更大责任。美国汽车制造商预计疫情引起的需求急剧下降，已经取消了他们现有的芯片合同。出乎他们意料的是，疫情带来了对消费电子和在家工作的设备需求的空前膨胀，导致了驱动这些设备的芯片的全球短缺。因此，从2021年初到2022年中期，北美的汽车生产商无法获得更多的设备，不得不从生产计划中削减430万辆汽车。现有半导体的价格也大幅上涨，加剧了通货膨胀。例如，普通品种的微控制器的单位价格从2020年秋季到2021年秋季翻了五倍。
一个未能受到重视的问题是，今天的汽车工业已经将半导体纳入了汽车的最基本功能。每辆车的平均芯片数量在2017年和2021年之间翻了一番，达到约1700个，而且，随着汽车和卡车加入新的安全功能和自动驾驶功能，这个数字只会继续增加。根据一项估计，全球汽车半导体市场的总价值将从2020年的387亿美元增长到2030年的1166亿美元，即年复合增长率为11.7%。然而，撇开周期性供应问题不谈，汽车应用的半导体产量根本跟不上步伐。传统的芯片生产能力只以每年大约2%的速度增长。作为比较数据，从2010年到2020年，整个半导体行业的产能平均每年增加10%。
投资不足和产能损失
对于汽车行业来说，这种投资不足的情况在模拟设备方面尤为严重，因为模拟设备是沿着梯度处理信息，而不仅仅是根据开和关的信号。世界上最大的模拟芯片制造商之一意法半导体公司预测，它积压的汽车订单将"继续超过现有和预期的制造能力，直到2023年"。
更广泛地说，美国芯片行业正在完全失去生产某些类型的传统设备的能力。这并非反映了技术上的障碍，而是反映了一个事实，即老旧的工厂正在关闭，而且鉴于相关的困难，它们却没有被取代。根据美国国会研究服务部的一份报告，许多传统的芯片通常在只能加工200毫米（mm）晶圆的工厂生产，而不是在较新的工厂生产的当前一代300毫米晶圆。更为复杂的是，报告提到"制造200毫米芯片的设备已不再容易获得"。因此，企业在对生产"旧"芯片的晶圆厂进行新的投资方面犹豫不决，这些芯片只有在折旧的设备上生产才能达到所需的利润率。
这种产能的减少意味着没有"银弹"来解决汽车行业的芯片短缺问题，尤其是因为该行业的需求正在迅速增长。展望未来，几乎所有预测的汽车芯片需求增长都与电气化、自动驾驶和连接性所需的设备有关，而这些应用所需的三分之二以上的芯片将在2030年前由传统节点组成。
短缺的影响
供应限制已经扰乱了美国汽车制造商的运营，并影响到美国许多其他制造业部门。例如，医疗设备生产商遭受了为其机器提供动力所需的成熟芯片的短缺。芯片的有限供应迫使"公司进入现货市场购买电子元件，使病人难以获得一些关键设备"。
传统芯片的短缺也影响了电子消费产品的制造商。2021年，由于短缺，苹果公司被迫削减其iPhone和其他设备的生产计划。关于iPhone 13 ProMax，一个包含2000多个组件的高度复杂的设备，短缺并没有发生在最先进的芯片方面。相反，成本只有几美分的外围元件，如德州仪器公司生产的电源管理芯片、Nexperia公司的收发器和Broadcom公司的连接设备，这些短真正缺阻碍了生产。重要的是，"这类芯片不是iPhone、智能手机、甚至是消费电子产品所独有，而是被广泛用于计算机、数据中心、家用电器和联网汽车。"
对传统芯片的投资滞后
芯片短缺的一个主要来源只是缺乏投资。几年来，对制造传统芯片能力的投资已经远远落后于需求。解释很简单：对传统芯片生产的投资回报率要低得多。目前，所有半导体投资中只有约六分之一用于传统芯片的生产。尽管有这些风险，几个主要的半导体设备制造商现在正在推行旨在生产更高节点芯片的投资战略，包括英飞凌、模拟器件、德州仪器和恩智浦半导体。
在对最先进芯片的制造能力的公共投资和对更成熟的设备的额外能力的需求之间存在着一种矛盾，迫使政策制定者协调对公共资源分配的冲突需求。这种困境在欧盟最为明显，欧盟已经承诺为先进的芯片研究和生产提供430亿欧元。2022年3月，英特尔宣布计划投资300亿欧元，在德国马格德堡建立一个使用最先进的芯片制造技术的工厂，并得到大量的公共支持。欧洲制造业的高管们对这些对晶圆厂建设的投资一直持批评态度。
他们认为，英特尔项目所考虑的5、3和2纳米工艺节点制造的设备最适合于"大批量、最高性能的用途，如智能手机和服务器"。根据高管们的说法，这些芯片"不符合欧洲工业的需求"，欧洲工业需要传统的芯片，用于汽车、机械和加工工业（如化学或制药）等行业的应用。一位欧洲高管评论说："一切都将趋于5纳米以下的说法是一种错误的说法。汽车行业的主要创新发生在成熟节点上。他们需要非常节能和安全"。
据报道，法国和德国已经达成一项妥协协议，允许旧芯片有资格获得国家援助，只要它们为制造或最终产品带来"创新元素"，这将使英特尔的传统芯片厂有资格获得欧盟的补贴。
同样的紧张关系在美国2021-2022年关于立法的政策辩论中也很明显，这些立法最终成为2022年的《CHIPS和科学法案》。该法案于2022年8月成为法律，承诺提供520亿美元的联邦资金用于促进国内半导体行业的投资和研究。一个参议员联盟争取到了20亿美元的奖励，明确用于补贴传统芯片的生产。拜登政府后来还澄清说，商务部将拨出大约100亿美元的CHIPS资金，以扩大"成熟和当前一代芯片、新技术和特殊技术以及半导体行业供应商的新制造能力。"这种激励措施对于激励私人投资于生产高节点芯片的低利润工厂是必要的，但所分配的公共资金是否能证明足以满足日益增长的需求是一个开放的问题。
在日本，目前对半导体的需求几乎都是汽车和消费电子行业所需的高节点芯片。2021年，台积电和日本的索尼集团宣布，他们将投资70亿美元在日本建立一个芯片工厂，以解决对旧一代芯片的需求。该工厂预计将于2024年投入运营。汽车零部件制造商电装公司和索尼将持有少数股权。据报道，台积电正在考虑在日本建造第二座工厂，以支持汽车行业向电动和自动驾驶汽车的过渡，这将需要获得越来越多的尖端芯片。据报道，日本还在与美国合作，从2025财年开始建立一个能够生产2纳米设备的工厂。目前的合作伙伴包括IBM和Rapidus，这是一个日本财团，包括索尼、NEC、丰田、软银、铠侠和MUFG银行。
中国风险
除了低利润率，美国公司在考虑传统芯片投资时面临的另一个主要风险因素是中国。中国政府最近宣布对其芯片产业投资1430亿美元。预计中国半导体行业在2021年和2022年的资本支出将分别达到123亿美元和153亿美元，占全球总额的15%。预计在未来10年内，中国的晶圆装机容量将增加近一倍，达到全球芯片装机容量的约19%。当然，假设它能获得必要的制造设备的话。半导体工业协会的分析指出，"中国的EDA公司现在拥有越来越强大的传统芯片产品，而中国国内的设备公司正在为未来几年的成熟节点（40/28纳米）生产提供强大的能力。"
鉴于西方对中国先进芯片技术的禁运，大部分新的投资将可能用于生产旧的28纳米及以上设备。美国对中国先进芯片技术出口管制的一个意外后果，可能是国家支持的投资浪潮导致生产过剩，并有可能导致中国在全球传统芯片生产中占据主导地位。
美国专家已经强调了这种潜在的中国主导地位的风险。前副国家安全顾问马特-波廷格指出，中国积累的传统芯片制造能力将"使北京对每一个依赖28纳米芯片的国家和行业--军事或民用--产生胁迫性影响，而这是芯片领域的一大块。"另一位半导体专家Dan Hutcheson指出，"中国人可以用这些技术充斥市场。普通公司无法竞争，因为他们无法在这些水平上赚钱。"当然，受益于新设备的国有和国家资助的公司不一定要盈利。他们可以而且很可能会专注于市场份额，削减外国公司的收入和他们需要投资的资源。这将使市场经济国家的当局别无选择，只能阻止"倾销"芯片的出口，或看到该行业遭受光伏行业的命运，失去销售、收入、工作和创新。
重要的事说两遍：美国对中国先进芯片技术出口管制的一个意外后果，可能是国家支持的投资浪潮导致生产过剩，并有可能导致中国在全球传统芯片生产中占据主导地位。
展望未来，传统芯片对现代经济运行的重要性只会继续增加。保持一个强大和有弹性的供应基地，能够进行投资，并不断生产和改进更高的节点芯片，对国家的竞争力和经济安全至关重要。此外，高节点芯片的创新有望成为各种新兴技术的基础，包括那些将我们带到一个更绿色、更健康的星球所必需的技术。生产绿色能源技术将需要更先进的高节点芯片，这是欧洲和美国都不能放弃的领域。
战略与国际研究中心（CSIS）2023年3月3日出版
