美國20世紀90年代半導體芯片技術產業復興的經驗分析

2020-06-23 09:27:53王超

網絡空間安全 2020年3期

摘? ?要：20世紀80和90年代，面對半導體芯片生產技術、產品質量、市場份額被日本全面趕超的困境，美國通過調整半導體芯片產業發展方向、實施SEMATECH計劃、加強對日貿易限制、加強政企協同創新等措施，迅速實現了半導體芯片技術產業對日全方位反超。文章重點分析了美國半導體芯片技術產業復興的體制機制、組織模式、政策措施方面的經驗，以期為我國突破半導體芯片等領域的關鍵核心技術，提供參考和借鑒。

關鍵詞：半導體芯片技術;體制機制;組織模式;政策措施

中圖分類號： TN301? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： In the 1980s-1990s， facing the dilemma of semiconductor chip production technology， product quality and market share being overtaken by Japan in an all-round way， the U.S. quickly achieved a comprehensive overtaking of the semiconductor chip technology industry against Japan by adjusting the development direction of semiconductor chip industry， implementing the SEMATECH plan， strengthening trade restrictions on Japan， and strengthening the collaborative innovation between government and enterprises. This paper focuses on the analysis of the institutional mechanism， organizational model and policy measures of the revival of the semiconductor chip technology industry in the United States， in order to provide reference for China to break through the key core technology in the field of semiconductor chips.

Key words： semiconductor chip technology; institutional mechanism; organizational model; policy measures

1 引言

當前，美國對我國技術封鎖力度的持續加大，對我國產業升級產生較大的負面影響，“華為”“中興”事件再次凸顯了我國電子信息產業發展長期存在的“缺芯少魂” 問題。高端通用芯片等關鍵領域的核心技術受制于人，已成為影響我國經濟高質量發展和國家安全的最大隱患。

美國等世界科技發達國家在突破“卡脖子”關鍵核心技術上有很多成功經驗和做法值得參考和借鑒。例如，在20世紀80年代，日本芯片產業尤其是DRAM技術產業崛起，使得日本芯片企業在生產技術、產品質量等方面實現了對美國的趕超。對此，美國堅持芯片設計、制造技術自主創新，通過調整半導體芯片產業發展方向、實施SEMATECH計劃、加強對日貿易限制、加強政企協同創新等措施，實現了半導體芯片技術創新突破，產業規模對日全反超。美國半導體芯片技術產業復興的體制機制、組織模式、政策措施方面的經驗，對我國突破半導體芯片等領域的關鍵核心技術，具有重大的理論借鑒意義和實踐參考價值。

2 美國半導體技術產業復興的背景

美國是半導體技術的發源地，在世界大戰期間，美國安全繁榮的本土成為了眾多科學家的福地，處在戰亂區的科技人才紛紛前往美國，為美國的芯片發展積累了雄厚的技術儲備力量。

在20世紀40年代，世界大戰中美國對電子和材料的研發投入催生了半導體技術，國防、宇航領域的大量政府采購占早期半導體市場的最大份額。

從20世紀70年代開始，計算機的發展開辟了半導體的一個重要應用領域，計算機內存和中央處理器成為重要的半導體產品。憑借著強大的經濟和技術基礎，直到20世紀80年代，美國始終引領全球芯片技術產業的發展方向，占據世界芯片市場超60%的份額。20世紀80年代，日本芯片產業尤其是DRAM技術產業的逐漸崛起，1986年日本全球市場規模達到44%，反超美國4個百分點。在半導體設備市場方面，1990年，日本市場規模占比達到48%，反超美國3個百分點。

日本在動態隨機存儲器（DRAM）、靜態隨機存儲器（SRAM）、雙極電路、通用邏輯電路、存儲元件、光電子、砷化鎵以及硅材料等技術上都開始領先美國。美國僅在微處理器、專用邏輯電路以及線性電路上保持領先地位。半導體技術尤其是芯片技術競爭的戰敗使得美國痛定思痛，下定決心轉變產業發展思路，下大力氣發展通用集成電路的大規模制造技術，尋求芯片領域新的技術突破，重奪市場領軍地位。

3 出臺促進半導體芯片技術創新的政策措施

3.1實施SEMATECH計劃，重點彌補美國芯片設計、制造工藝短板

為了提高美國在大規模、超大規模集成電路制造技術上的競爭力，重新奪回美國在芯片設計、制造工藝上的技術優勢，借鑒日本組織大規模集成電路技術合作研究的經驗，1987年，美國國防科學委員會（DSB）和美國半導體協會（SIA）共同牽頭成立了美國“半導體制造技術研究聯合體”（Semiconductor Manufacturing Technology Research Consortium，SEMATECH），啟動了SEMATECH計劃，專注于金屬板印刷技術、蝕刻等芯片制造工藝和設備，通過減少重復投資提高了美國企業的生產率，并在降低分散研究之間的交易成本、培育產品制造企業和設備供應商之間的協作關系上發揮了重要作用，促進了工藝材料的開發、制造設備的開發以及與芯片制造工藝的集成，改善了企業無主攻方向的問題，并極大地提升了芯片制造能力與材料研發進程。

通過SEMATECH計劃，美國芯片制造設備得到改進，可靠性大為提高，使用美國芯片制造設備的成品率也不斷提高。1992年，美國的應用材料公司（Applied Materials）成為全球半導體設備市場上的龍頭老大;1995年，美國企業使用美國制造的半導體設備，制造出0.35微米線寬的電路，實現對日本的技術趕超;1996年，美國生產了世界上第一個12英寸的晶圓，至此美國重新奪回芯片技術產業的全球領軍地位。

3.2調整產業戰略方向，聚焦微處理器等高附加值產品

鑒于DRAM芯片技術被日本趕超、韓國亦強勢崛起的現實，美國于1989年底組建了“國家半導體咨詢委員會”，從國家層面實現了半導體產業的戰略轉型，放棄了競爭激烈DRAM芯片領域，重點發展芯片設計、制造技術，提供微組件及LOGIC等附加價值高、技術創新性強的半導體芯片產品。通過實施SEMATECH計劃，實現芯片設計、制造技術趕超后，美國于1992年實施高性能信息和通信（High Performance Computing and Communication）計劃，即信息高速公路計劃，旨在建立覆蓋整個美國的寬帶高速信息網絡、完善美國信息服務網絡。信息高速公路計劃的實施使得美國對信息設備的需求明顯提升，美國以家用電腦和光纖通信為核心的信息技術產業快速發展，帶動了計算機中央處理器、模擬器件和存儲器產品市場的快速發展，美國半導體芯片產品在民用市場大規模應用，美國在全球半導體芯片市場的絕對主導地位再難撼動。

3.3放松對芯片領域合作創新的反壟斷管制，促進芯片企業聯合創新與合資并購

在1984年以前，美國對企業之間的合作研發行為規定了嚴格的反壟斷條款，以防止企業在合作中達成限制競爭的壟斷性協議。隨著美國在半導體芯片領域遭遇日本的強力挑戰，美國國會和司法部開始倡議放松美國反壟斷法而允許美國企業開展更大范圍的研發聯合體，促進美國半導體芯片企業的合資合作。

1984年，美國國會制定實施了《國家合作研究法》（NCRA），逐漸為美國企業在芯片等競爭前技術方面的合作研發（包括研發聯合體）活動松綁，為美國半導體芯片等高新技術企業進行聯合研發提供了法律保障，為SEMATECH計劃的實施奠定了法律基礎。《國家合作研究法》的修正案《國家合作研究與生產法》放松了對合作生產的管制，有利于合作企業共同將合作研究的成果進行商業化。在美國政府的引導下，美國半導體芯片領域掀起合作研發熱潮，1987年實施的SEMATECH計劃，實現了美國芯片設計、制造工藝等多項技術的趕超。

與此同時，美國半導體行業協會（SIA）持續倡議推進美國半導體企業間的合資生產和并購，以達到合資企業技術協同和強強聯合的目的。1989-1999年，美國半導體芯片相關產業（包括半導體、存儲器和微組件）共發生并購198起，投資成立合資項目364個，半導體企業的規模也不斷擴大。

3.4 對日采取多項貿易限制措施，為半導體芯片產業創造良好的外部環境

為了保護美國半導體企業，美國政府對日本采取了多項貿易限制措施，營造良好的芯片技術產業發展外部環境。1985年9月，美國半導體協會以日本半導體產品傾銷為由要求美國聯邦政府機構啟動“301”調查。10月，美國商務部制定了一項法案，指控日本公司傾銷256K DRAM和1M DRAM。1986年初，美國國際貿易委員會裁決，對日本半導體產品提高進口關稅并征收反傾銷稅。9月，美國和日本簽訂第一次《美日半導體協議》，美國以停止對日本企業的反傾銷訴訟為條件，要求日本在電器、通信設備、電子計算機等領域放寬市場準入，增加從美國進口半導體產品;要求日本加強政府對出口半導體價格的監督機制以防止對美國及第三國的傾銷;要求日本強化對美國企業的知識產權保護。與此同時，美國加強了對日本企業收購美國企業項目的審查力度，強化了對違反技術出口限制企業的懲罰措施，以防止與國防安全相關的生產技術泄露。

美國的制裁沒能立刻遏制日本的技術優勢，協議過后，日本全球市場份額與DRAM市場份額變動不大，依舊處于美國之上。1987年3月，美國政府以日本未能遵守協議為由，就微機等日本有關產品采取了征收100%進口關稅的報復性措施。1991年6月，日美更新了5年期的半導體協議，明確提出了美國半導體產品在日本市場占有率由10%放寬到20%，促進日本實現市場開放。在日美半導體協議的約束下，日本國內的半導體芯片市場不斷被美等國外企業蠶食。數據顯示，1996年非日本企業半導體產品在日本市場份額升至30%，其中75%來自美國。

3.5加強政府采購與放寬出口限制并重，維護并擴大美國芯片市場

20世紀90年代初期，正值美國芯片設計、制造技術實現對日反超的關鍵時期，美國通過政府采購、支持出口等方式，不斷擴大芯片技術產品的市場需求。一方面，美國政府加強政府采購，促進政府在半導體芯片等高科技領域投資，僅計算機及其相關產品的政府采購就高達90億美元，極大地激勵了半導體芯片企業的研發創新活動。另一方面，美國政府逐步放寬了對半導體芯片等高科技產品的出口管制，允許在不危及國家安全的前提下，利用多元化的手段促進半導體產品的出口。1993年，美國政府公布了“國家出口戰略”，包括半導體、電腦、通訊等在內的六大產業被列為國家重點出口產業，擴大美國企業出口，強化美國企業的外部競爭能力。戰略的出臺實施，對于美國加快芯片出口，并逐步實現對全球信息技術生態的壟斷起到巨大推動作用。

4 優化半導體芯片技術創新的組織模式

4.1構建政府牽頭、企業主導的政企協同創新組織模式

政府牽頭打造的以IBM、TI、HP等13家美國企業為核心的SEMATECH，是美國彌補美國芯片設計、制造工藝短板，實現對日技術趕超的重要技術載體。SEMATECH是美國芯片制造企業與政府協同創新的產物，糾正了美國半導體行業過去“各自為政”的傾向，對于美國芯片技術創新組織模式的變革具有特殊的意義。

SEMATECH的組織模式具有四個特點。

一是政府牽頭成立，政企均攤成本。1987年，美國防部撥款1億美元，引導IBM、AT&T、英特爾、摩托羅拉、德州儀器等10余家半導體領軍企業出資1億美元（每家企業幾百萬到上千萬美元不等），共同投資設立了SEMATECH，并確立了由美國防部、成員企業均攤每年2億美元研發經費的財政支持方式。從1987-1992年，SEMATECH花費了3.7億美元（全部預算的37%），用于半導體設備改進與設備供應相關的外部研發項目支出。

二是由業內專家負責管理和研究。SEMATECH由一個中心管理機構來管理，研究人員來自各成員公司，管理人員全部來自企業界，首任董事長由Intel公司的創始人R. Noyce擔任。來自企業界的管理人員對企業的現狀和問題了如指掌，可針對芯片制造中的關鍵問題制定出切實可行的方案。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）與相關企業一道推動半導體技術的研究、開發和推廣等。

三是注重芯片制造商與設備制造商的合作。SEMATECH成立的核心目標在于加強芯片制造廠商與半導體設備廠商之間的合作，共同開展工藝材料的開發、制造設備的開發、集成芯片制造工藝等。SEMATECH與半導體設備廠商的合作方式包括委托開發新設備、改進現有設備、制定技術發展路線等，其中最重要的是開發半導體制造設備，占據SEMATECH總預算的60%。在聯合研究過程中，設備制造商在設計、生產設備時更多考慮客戶的需求，聯合芯片制造廠商加強工藝過程的規范性，共同解決設備的質量問題、工藝問題等，明顯地提高了設備的可靠性。得益于制造設備的改進和工藝過程的規范，芯片制造廠商的芯片成品率也不斷提高。

四是減少重復投資，兼顧知識產權保護和共享。一方面，SEMATECH負責購買、測試半導體制造設備，將技術知識傳播給其成員企業，通過統一購買和測試，可以減少企業重復開發、檢驗新的工具，從而降低設備開發及引進的成本。另一方面，SEMATECH集中于基礎研究，從不參與某一具體產品的設計與制造，也不為某一具體產品去做專門的工藝研究，支持各企業公平競爭，對合作研究的成果做進一步開發后，才能真正將研究成果應用到自己企業，這不僅使得成員企業技術受益，也減少了在應用研究成果時，可能產生的知識產權保護問題。與此同時，SEMATECH還促進研究成果的開放共享，修改了“研究成果只有在成員企業獨占2年之后才可以向其他非成員企業轉讓”的規定，明確付出一定的轉讓費或專利使用費后可向所有美國企業開放。

4.2 打造銜接半導體芯片基礎和應用研究的校企協同創新組織模式

為加強半導體研發和美國大學半導體的課程教學，美國半導體協會于1982年成立了半導體研究聯盟（SRC）。SRC由65家美國和加拿大的公司和政府機構組成，成員包括半導體芯片制造商、用戶、半導體材料和設備供應商，每年投資3000萬美元資助美國大學中有關半導體芯片的研究項目。SEMATECH計劃實施期間，SRC 三分之一的研究經費由SEMATECH提供。正是由于SRC資助的美國大學重點開展了半導體芯片基礎技術研究，SEMATECH企業才能在此基礎上重點開展應用技術研究。

5 改革半導體芯片技術創新的體制機制

5.1設立國家級專業咨詢委員會，協助調整半導體芯片領域技術產業發展方向

1989年底，美國優化科技創新管理架構，組建了“國家半導體咨詢委員會”，確立了“集中攻關通用集成電路的大規模制造技術，重點發展微組件及LOGIC等附加價值高、技術創新性強的半導體芯片產品”的發展思路，在國家層面實現了半導體產業的戰略轉型。1992年，美國政府以總統令形式，設立了“國家信息基礎設施實施咨詢委員會”和“信息基礎執行工作隊”，確保了美信息高速公路計劃順利實施，最終帶動了計算機中央處理器、模擬器件和存儲器產品市場的快速發展。

5.2 構建政產學研協同創新機制，促進半導體芯片領域技術創新和成果轉化

1984年以前，美國嚴格限制企業間的合作研發行為，嚴重阻礙了美國在半導體芯片等新興領域的技術創新。隨著《國家合作研究法》《國家合作研究與生產法》的出臺實施，美國企業開展半導體芯片等競爭前技術的聯合研發、生產，不形成“托拉斯”壟斷?！抖虐莘ò浮贰堵摪罴夹g轉移法》《國家競爭力技術轉讓法》等法案的出臺，使得政府資助的科研項目產生的專利權能夠被私人部門所享有，為推動半導體芯片等創新技術成果由學術界向產業界轉移，實現成果產業化奠定了法律基礎。

1987年，為集中攻關通用集成電路的大規模制造技術，美國政府組織成立了半導體制造技術研究聯合體SEMATECH，由美國國防部和成員企業均攤研發經費，美國國防部高級研究計劃局與相關企業共同推動半導體技術的研究、開發和推廣。在研發過程中，SEMATECH經費資助的美國大學重點研究半導體芯片領域基礎技術研究，SEMATECH成員企業重點聚焦工藝材料的開發、制造設備的開發、集成芯片制造工藝等應用技術。隨著SEMATECH計劃的實施，美國在半導體芯片領域，逐步形成了政府、國家研究機構、高校、民營研究機構和企業聯合開發的協同創新機制，半導體芯片技術由高校和研究機構向產業轉移，形成商業化、產業化創新成果的機制不斷成熟完善，這在美國半導體芯片技術實現對日趕超，并持續引領全球技術方面發揮了突出作用。

5.3 建立體系化的科技創新金融市場機制，為半導體芯片產業發展提供資金支持

早在20世紀40年代，美國就開始成立風險投資，向科技企業提供融資。之后數十年間，美國通過出臺《小企業投資法案》《公平信貸機會法》《小企業創新發展法》《國內稅收法》等系列法規，從財政、稅收等方面對創業企業和投資者提供更多的優惠，鼓勵個人、機構加大對創業企業的支持力度，逐步建立了一整套支持創新的天使投資、風險投資、垃圾債券、股票市場市場等科技創新市場金融機制。

美國通過垃圾債券和天使投資的方式，對半導體芯片等領域的高科技行業的初創企業進行投資，使其產品創新和應用得以順利實現。其中，垃圾債券主要用于初期起步階段所需要的資金規模就非常巨大的創新活動，如芯片企業的芯片生產線等，Intel公司最初就利用了垃圾債券方式獲得初期發展所需要的資金。美國創業企業資金投入與退出機制非常完善，風險投資的退出主要以IPO為主，天使投資是以被收購為主。完善的科技創新金融市場機制，使得美國成為全球風險投資最活躍的地區，有力地保障了美國半導體產業領域的新技術、新成果迅速完成產業化轉換，為美國半導體芯片技術產業創新發展，以及20世紀80和90年代實現對日本技術反超，提供了巨大助力。

5.4 完善外資監管審查機制，防止美半導體芯片領域關鍵核心技術外流

美國的外資監管制度始于20世紀70年代，當時歐佩克（OPEC）國家大量投資美國，引發美國內對外國政府操縱的旨在攻擊美國經濟的政治行動的擔憂。對此，美國先后于1974年和1976年出臺《外國投資研究法》《國際投資調查法》，并以11858號行政令的方式設立了美國外資投資委員會（CFIUS）這一跨部門機構，專門負責外資監管。但在設立初期，CFIUS的審查和批準功能并不明顯，實際功能在于調查和分析。

20世紀80年代以后，日本在半導體、制造等領域的強勢崛起，大量日本資金涌入美國市場，形成了“購買美國”狂潮。1986年，日本富士通計劃收購美國軍用電腦芯片供應商仙通半導體。彼時，仙童公司的半導體芯片產品可以用于美國航空、導彈導航系統、戰略防御研究、加密與解密超級計算機等。一旦并購計劃通過，日本企業將控制美國最重要的軍用計算機芯片制造企業，不僅使美國防工業更加依賴外國供應商，半導體芯片的諸多關鍵核心技術也會被國外掌控。鑒于此，美國于1988年出臺《埃克森·弗洛里奧修正案》，授權美國總統中止或禁止任何威脅美國國家安全的外國收購、并購或接管從事州際貿易的美國公司的行為。美國12661號行政令則授予CFIUS具體的審查權限。1992年《伯德修正案》出臺，將具有外國政府背景的外國企業納入CFIUS審查范圍。至此，美國外資監管審查機制得到進一步強化和完善。

6 結束語

核心技術是國之利器，關乎國家安全和長遠利益。本文重點分析了美國20世紀90年代半導體芯片技術產業復興的典型案例，從體制機制、組織模式、政策措施方面，總結了具體經驗，以期對我國突破半導體芯片等領域的關鍵核心技術提供了參考和借鑒。

基金項目：

國家自然科學基金（項目編號：71941021）。

參考文獻

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