美国造不出半导体工厂的真正原因 [科技对话]

by Lim Juhyeong

Published 03 Dec.2023 08:00(KST)

Updated 20 Dec.2023 10:28(KST)

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建设半导体晶圆厂需多行业技术支撑
设计与设备高度专业化的美国难以实现再岸化
Morris Chang 早在一年前已预见此局面

正在美国亚利桑那建设中的台积电（TSMC）半导体工厂（晶圆厂）是拜登政府《芯片与科学法案》（CHIPS Act）的点睛之笔。拜登总统在该法案中仅对半导体产业就提供了527亿美元规模的补贴，其中相当一部分将流向台积电。

然而，本应成为美国半导体自立“先锋”的这座工厂，从一开始就运转不顺。完工时间一再推迟，如今被认为要到2025年才能进入量产阶段。明明拥有全球最顶尖的半导体技术实力和产业规模的美国，为什么会在一座晶圆厂上如此吃力呢？

去年11月出席台积电亚利桑那州工厂设备入场仪式的美国总统乔·拜登。联合新闻社供图

技术、设备和需求绝对都不成问题。美国依然是拥有全球第一半导体产业的国家，大多数与半导体相关的源头专利和技术也都扎根于美国。

全球最大的半导体代工企业台积电同时也是阿斯麦（ASML）极紫外光（EUV）曝光设备的最大持有者，而美国境内则有全球最大的半导体生产相关设备企业应用材料公司（Applied Materials，AMAT）。因此，在零部件供应链方面也不存在太大忧虑。

更何况，美国企业也早已排队等待亚利桑那晶圆厂开门投产。苹果、超威半导体公司（AMD）等半导体设计领域的大客户已经表示，愿意把订单交给台积电美国子公司。

三星半导体工厂内部。可以看到悬挂在天花板上的晶圆容器（FOUP）正在移动。 [图片来源=韩联社提供]

问题不在于尖端半导体设备或技术，而在于工厂本身。对此，台积电董事长Mark Liu在第二季度业绩发布电话会议上也承认，“亚利桑那工厂因专业人力短缺，在建设上遇到困难”。

人们讨论半导体晶圆厂时，最受关注的往往是EUV曝光机等半导体生产专用设备。每台设备价格高达数千亿韩元，且能够制造的企业有限，因而长期面临供应不稳定的问题。

但在晶圆厂建设过程中，“一般工业”领域的重要性并不亚于这些专用设备。比如，如今的晶圆厂内部布满了用于运输FOUP（用于存放和搬运晶圆的特殊容器）的小型轨道。

在半导体生产核心设备EUV光刻机内部，也大量使用精密电机和测量传感器，管理此类零部件供应链离不开精密机械专家。图片由韩联社提供

用于调整半导体位置和进行封装的机器人设备，必须在毫厘不差的情况下精确移动到指定位置。要稳定实现这些操作，就需要超高精度的关节用电机和传感器。

另一方面，由于哪怕一粒极微小的尘埃都可能影响生产良率，厂内环境必须时刻保持洁净。因此，晶圆厂内部布满了稳定供应超纯水的装置以及输送气体的特殊管线。不仅如此，一旦晶圆厂哪怕只停工一次，整个工艺就必须从头再来，因此电力供应装置也要进行多重冗余配置。

由此可见，投入晶圆厂的设备绝不仅限于半导体产业本身，还需要引入机械、电气电子、化学等各行各业的专业设备，并配置能够管理和运用这些多元零部件供应链的各产业领域专家。也就是说，晶圆厂的运营管理实际上更接近于一般工业技术，而非狭义的半导体技术。

美国所缺乏的，并不是半导体工程师。就半导体技术而言，美国大概是无可争议的全球第一。但与台湾、韩国、中国等“晶圆厂强国”相比，美国绝对短缺的是具备半导体设施工作经验的一般工业技术人员。这也是董事长Mark Liu决定从台湾调派600名公司工程师赴亚利桑那晶圆厂支援的原因。

台湾台积电创办人张忠谋（Morris Chang）图片由韩联社提供

这一问题其实早已被台积电创始人、被称为“台湾半导体产业之父”的前董事长张忠谋预见。去年，他在接受美国当地媒体采访时严厉批评称，拜登政府试图强化半导体制造能力的努力是“徒劳无功”。他指出的原因是“严重的人力短缺和高昂的人力成本”。

他还预测，美国狭窄的工业人才库将推高晶圆厂整体建设成本。张忠谋表示，“在美国制造半导体比在台湾多花50%的成本”，“在美国建设晶圆代工厂是一种浪费”。

即便亚利桑那晶圆厂在2025年开门并开始量产，问题也不会就此结束。若要在美国晶圆厂实现盈利，台积电必须把前期投资成本转嫁给客户。这意味着，台积电美国工厂生产的芯片单价必须高于其在台湾和日本工厂生产的芯片单价。由此，美国国产电子产品的价格竞争力势必减弱。

归根结底，如果美国台积电要稳定良率，并在长期维持晶圆厂运营所需的人力和物质基础，美国政府恐怕必须持续提供支持。

然而，晶圆厂的维护成本绝非易事。仅亚利桑那晶圆厂建设就已投入超过300亿美元，今后若要引进新设备、改造工厂，还将耗费更多资金。拜登政府以及今后接手政权的新一届政府，是否会在实现“美国半导体自立”这一夙愿之前，一直向台积电开出“空白支票”，仍是未知数。

可以肯定的是，美国依然是拥有全球第一半导体产业的国家，但对于是否明智地决定把早已实现全球分工的“芯片生产”重新拉回本土，这个问题仍然要打上一个问号。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。