2018-12-15 10:33:00 来源:中国社会科学院日本研究所 责任编辑:贾元熙
核心提示:经过20世纪80—90年代的日美半导体战争,日本半导体产业(包括设备和材料产业)没有被击垮,也没有中断其坚持赶超美国的努力。经过多年来的大规模产业结构改革,日本半导体产业不断摸索“新兴应用领域”,另辟蹊径,弯道超车,展开了新一轮技术创新的进程。
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作者 中国社会科学院日本研究所研究员 冯昭奎

中国社会科学院日本研究所《日本学刊》供参考消息网特稿

中国社会科学院日本研究所研究员冯昭奎在《日本学刊》2018年第6期发表《日本半导体产业发展的赶超与创新》(全文约3.1万字)。

冯昭奎认为, 日美“半导体战争”后,日本半导体产业的实力遭到严重削弱。进入21世纪,面对半导体产业结构的巨大变化和半导体产品市场的深刻调整,日本顺势而为,推动产业结构改革,开拓新兴技术领域,大力培育半导体产业发展新优势。

随着日本半导体产业日益赶超美国,20世纪70—80年代爆发了日美半导体摩擦,异常激烈且旷日持久,被称为“半导体战争”。美国试图通过贸易战迫使日本开放市场和让渡经济利益,从战略上遏制日本对美国的技术追赶,“从贸易战的议题,到时间,到方式,全都由美国确定。美国还利用市场武器,大量培植对手的对手:在90年代中后期,韩国和台湾地区的芯片和电子产品开始大规模涌进美国和世界市场,对日本构成全面挑战”。日本半导体产业的崛起是以主要用于大型计算机的DRAM为切入口的,进入20世纪90年代,个人计算机(PC)取代大型计算机成为计算机市场上的主导产品,个人计算机对DRAM的要求与大型机有所不同,重点是价格低,对质量和可靠性要求不太高,而日本半导体企业却仍然执着于高质量、高可靠性,加之劳动力成本也比较高,结果丧失了竞争优势,被韩国、台湾地区生产的低价DRAM夺走了市场,1998年韩国取代日本成为DRAM第一生产大国。而且,早在1993年,美国就已经在技术含量更高的微处理器领域夺得对日压倒性优势,在半导体市场占有率方面反超日本而重新夺魁。

同时,全球IC产业结构也发生了重大变化。20世纪60年代开始兴起的IC产业,一直都采用“垂直整合”(IDM)模式,从芯片设计、制造到封装测试的各个环节都在企业内部完成。随着微细加工技术的进步,芯片制造成本日益提高,芯片产业的“烧钱”特性日趋突出,越来越多的企业感到包揽IC生产全过程的资金负担太重,从而逐渐向“垂直分工”模式发展。1987年创立的台湾积体电路公司(简称“台积电”)开创了晶圆“代工”(foundry)新模式,即从芯片设计企业接单专做制造。“代工”模式出现后,IC产业分化为四类企业:(1)传统的IDM企业,即从芯片设计、制造到封装测试“一条龙全包”。如英特尔(Intel)、三星就是典型的IDM企业,它们规模大、技术全面、资金雄厚,甚至还有自己的下游整机环节。(2)只做设计的企业,没有工厂(fabless)。这些企业往往不仅从事芯片设计和开发,还亲自推销,全球顶尖的设计企业多为美英企业,如英国的ARM、美国的高通等。(3)代工企业,即只从事生产、不做设计,按照设计企业设计的集成电路图形,在晶圆上制造集成电路芯片。其代表性企业有台积电(2017年全球市场份额占比高达55.9%)、美国的格罗方德、中芯国际、台联电等。(4)封装测试企业,即将晶圆上的几百块小芯片切分开,给每块芯片连接导线,封装外壳,进行测试。这种垂直分工模式提升了“重设备投资”的代工企业的生产效率,降低了“轻设备投资”的设计企业和封装测试企业的准入门槛和运营成本,从而推升了整个IC产业的运作效率,加快了芯片技术的发展。对于多数IC企业来说,垂直分工模式是发展的必由之路。

进入21世纪,因为日美“半导体战争”实力遭到严重削弱的日本半导体产业,既面临半导体产业结构的巨大变化,又遇到半导体产品市场的深刻调整,诸如智能手机市场迅速扩大。这两大变化使得长期以来在产业结构上以“垂直整合”模式为主、在产品上以DRAM取胜的日本半导体产业疲于应对,输掉了手机芯片、电脑芯片等具有海量市场(可依靠极大产量分摊芯片研制和生产成本)的高端通用芯片的国际竞争力,导致日本半导体产业在世界市场上的占有率一路下滑,失去了持续多年的相对优势,外界甚至评价称“日本半导体产业在世界上不再重要”。面对前所未有的困境,日本半导体企业与政府相关部门配合,努力推进大规模结构性改革,以图挽回颓势。2001年,日本政府开启了三个大型“产官学”项目——“MIRAI”、“ASUKA”和“HALCA”,其中“MIRAI”项目由日本经济产业省投资300亿日元,由25家企业的研究所和20所大学的研究室参与共同研究;“ASUKA”项目由 NEC、日立、东芝等 13 家半导体企业共同出资700亿日元,主要研制电路线宽为 65 纳米的IC芯片;“HALCA”项目除进行实用化制造技术的研究外,还进一步研究高速度、节省能源等技术。这些举措对于提升日本半导体产业的竞争力具有一定的效果。

(一)日本半导体产业推行结构性改革的代表性案例

1.2003年,由日立和三菱电机两家公司所属半导体部门合并成立瑞萨公司,2010年NEC又加入进来,成立了新瑞萨公司。该公司已在自动驾驶系统(ADAS)或自动驾驶汽车使用的微控制器(MCU)的世界市场上夺得主导地位,成为汽车用芯片、无线网络芯片、消费与工业制造嵌入式半导体芯片的全球领先供应商。2011年,瑞萨在全球MCU芯片市场中的占比达33%,排名第一,荷兰恩智浦公司和美国飞思卡尔公司排名第二和第三。2016年,恩智浦与飞思卡尔合并,瑞萨退居第二,占比降至16%。但是,2018年瑞萨公司又推出了28纳米线宽的首款闪存汽车MCU样品,可望进一步增强其MCU产品的全球竞争力。

2.索尼公司通过剥离弱势业务,聚集优质资源开发CMOS图像传感器。2012年,索尼开发的全球首款“堆叠式结构”系统能将两块芯片叠在一起,一块捕捉图像像素,一块是传感器电路。2015年,索尼在摄影与智能手机用的高像素芯片领域拿下全球35%的市场份额。2018年,索尼开发的新传感器将灵敏度提高到1200万像素水平,可获得更明亮、更低噪声的图像。鉴于索尼在CMOS传感器方面长期积累的技术优势,目前主流智能手机大多采用索尼的CMOS传感器,而且CMOS传感器的应用范围早已不局限于智能终端,开始向汽车、医疗、工业以及安保监控摄像等领域延伸。

3.2011年东芝在公司内部彻底改革“全能式”产业结构,着力开发高附加值的特色产品。早在1984年,东芝就发明了NAND闪存,这是一种比硬盘功耗更低、重量更轻、性能更佳的非易失性(断电后仍能保存数据)存储器。作为NAND闪存的创始者,东芝的IC部门将大部分精力都花在NAND领域。但随着三星电子等企业崛起(2015年三星电子在NAND闪存市场上以33.6%称雄,而东芝仅占18.6%),为了在NAND闪存领域再度实现突破,东芝大力开发可进一步扩充存储容量、加快处理速度的64层NAND闪存,并希望提前投产64层技术,以实现半导体业务的下一轮高增长。东芝的另一种特色产品是发光二极管(LED)和号称“第三代半导体”的氮化镓(GaN,一种化合物半导体),特别是氮化镓芯片,其重要性近年来引起普遍关注,一片直径约 5 厘米的氮化镓芯片的售价可达5000—7000美元,还供不应求,加上国际贸易中的技术壁垒,甚至出现了一片难求的情况。值得注意的是,军事和太空应用以及电力电子系统等要求半导体器件具有较强的空间辐射耐受能力,在放射性环境中具有更高稳定性,这恰恰是具有高速高效特征的氮化镓器件的优点。这意味着,一直以来用于汽车电信、消费电子和医疗等行业的氮化镓器件可能在军事和太空等重要领域拓展应用范围。据预测,全球氮化镓器件的市场价值将从2017年的7.7亿美元增至2023年的18.4亿美元,复合年增长率为17.1%,而亚太地区将成为增长最快的氮化镓器件市场。此外,东芝还推出了一款新型光电耦合器芯片,可用于电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)的高速通信。

4.2015年富士通和松下两家公司的系统级芯片(或称“芯片上系统”,“system on a chip”,SoC)部门合并成立索喜(Socionext)公司,该公司提供以系统级芯片为中心的半导体产品和服务,并在视频图像领域和光纤通信网络领域具有竞争优势。该公司开发的360度全景成像系统“OMNIVIEW”可为汽车驾驶员提供视觉辅助,将安装在车辆四个方向的摄影机图像在三维模型上合成,不仅可协助停车,还支持行车中的周围环境监控。

事实上,致力于结构性改革的多家日本半导体企业相继进行事业拆分和重组,退出技术含量不高的DRAM竞争,而集中开发系统级芯片等高附加值的专用技术产品。由于放弃市场巨大的通用性产品DRAM,日本半导体产业在全球半导体市场中所占份额显著降低,而系统级芯片虽然专用性强,但短期内市场规模不大,对提高日本半导体产业在全球市场上的地位不会很快产生作用。日本半导体产业看似进入衰退期,在全球半导体企业排行榜中名列前茅的日本企业越来越少(2017年“全球半导体十强”中的日本企业只有东芝一家)。但值得注意的是,系统级芯片不乏在今后5—10年成为半导体产业新增长点的可能性,因而相关研究具有“弯道超车”继续赶超美国、打造日本下一代半导体产业模式的意义。

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