讨论这个话题的诱因是1月中旬时中芯国际和华虹集团传来喜讯均称在14nm工艺上取得了重大进展,中芯国际更是在官网上转载《浦东时报》的文章称其中芯南方厂第一代14nm FinFET工艺已成功量产,对于半导体行业,没有比这更好的新年礼物了,这背后的艰辛自不必说,当然从题目可以看出来这不是我们这里要讨论的重点。因为在看到这消息时我首先想到的是之前看过@十万个品牌故事 讲富士通时提到过日本在70年代后通过官方牵头建立“官、学、研”一体化的产业发展制度,联合富士通等公司筹集资金设立“VLSI(Very Large Scale Integration,超大规模集成电路)技术研究所”重点攻克半导体领域,并最终取得了长足的发展,奠定了在存储器市场的垄断地位。当时这段话给我留下了极深的印象,原来我们这个一衣带水的邻居在半导体领域也曾走过一段追赶的道路,这不正和我们现在的境况有些相似吗?那么日本半导体行业到底走过了怎样的一条发展道路?又能带给我们怎样的启示呢?

我在学校不是个好学生,没学到什么干货,况且大家听周围人念叨了这么多年恐怕也早就晓得半导体这玩意到底是个什么情况了,所以我们不详细讨论一只沙子的奇妙旅程,也不谈太过复杂的技术原理(咱也不知道,咱也不敢说),当然不可避免的一些专业名词我也会简单解释,不够妥帖的地方希望大家雅正。根据我浅显的理解,大家喜闻乐见的半导体产业链中,主要包括上游的材料、设备、EDA(Electronics Design           Automation,电子设计自动化)软件,中游的设计、制造,以及下游的封测等。然后我本来想跳出套路就从这几点着手分开谈的,结果捋着捋着反而把自己整晕了,得,咱还是按照时间顺序一点点来罢,为了避免太过于繁琐,肯定不会面面俱到一二三四地一一罗列,只是会提到一些关键点和具有代表性的事件,然而写完我才发现我是真的啰嗦(所以一口气分了五个部分)……:

part1:开局有个粗大腿可以抱是怎样的体验(二十世纪五六十年代)

二战后的日本成为了美国在西太平洋的桥头堡,特别是伴随着冷战局势的紧张和朝鲜战争的爆发,日本在东北亚的地理优势就凸显了出来,因此美国开始大力扶持日本,朝鲜战争期间美军大量的物资采购对日本经济的复苏起到了极大的促进作用,同时美国更是允许日本以“自卫队”的名义重组军队,这些举动无疑都对后来的日本产生了巨大的影响,而这里和我们的主题密切相关的则是美国对日本技术上的援助及开放,那时日本工程师被允许访问美企,甚至能够相对自由地接触到美国半导体生产现场。换个角度来说那时候美国对日本的“技术慷慨”也是因为基本上没将日本作为自己的竞争对手,这种心态我们现在一般称为“蜜汁自信”,但历史的经验告诉我们,就像所有的泡沫终将破灭一样,所有的“蜜汁自信”最终都要付出惨重的代价,另一方面,这样的美日关系在很大程度上也决定了故事的走向。

在这个故事中首先登场的是大家熟知的索尼(索尼大法好!),不过那时候它还叫“东京通信工程株式会社”,1953年它的联合创始人盛田昭夫前往美国寻求技术合作,据说盛田昭夫在纽约逛了帝国大厦和布鲁克林大桥之后曾经感叹:“日本和这样的国家交战,真是鲁莽呀!”幸好他没有只顾感叹而忘记正事,事实上他的目的很容易就达成了:以900万日元(约合2.5万美元)的低价从西屋电气(Westing house)引进了晶体管技术。此时晶体管专利被受理仅过去5年(1947年,贝尔实验室威廉·肖克利、沃尔特·布拉顿和约翰·巴丁发明了点接触式晶体管,1948年,肖克利等人申请了晶体管的专利,1950年,贝尔实验室发明结接触晶体管并顺利实现商业试用),而肖克利在进行晶体管研发时,贝尔实验室砸的钱总计有2.23亿美元(用于1948-1957年的连续研发和优化,其中美国军方承担了近40%的费用)。我们在感叹盛田昭夫独到的商业眼光和敏锐的技术洞察力的同时,不得不说这个大腿抱得真是太爽了,并且这次超值的抱大腿很快就产出了成果。

左起:巴丁、肖克利、布拉顿 图源与非网

1955年,索尼开发出全球第一台袖珍晶体管收音机“TR-55”,同时公司也正式更名为“索尼”,日本半导体产业的黎明似乎拉开了帷幕。此后,因为有足够多的廉价劳动力(当时东京电子厂的日本工人月薪不到30美元,而同期美国的技术工人月薪是380美元),日本的晶体管产业开始大规模铺开,晶体管的价格也随之大幅下降。1953年索尼试制晶体管时一颗还要11美元,到1958年已经降到0.5美元,到了1959年,包括索尼、日本电器(NEC)、三洋、东芝(Toshiba)在内的日企一年生产了8650万颗晶体管,这一规模已经超过了晶体管技术的发源地美国,位居世界第一。

TR-55 图源搜狐新闻

这种情况下美国是不是应该有点慌,本来只是想意思一下没想到没刹住车,然而美国表示稳住我们能赢,因为在1958-1959年间,德州仪器(    TI)的 杰克·基尔比和仙童半导体的罗伯特·诺伊斯(八叛逆之一,Intel的联合创始人之一)分别发明了锗(Ge)集成电路(integrated circuit,简称IC)和硅(Si)集成电路。以西屋电气为代表的美企向世界宣布:“晶体管时代已经过去,以集成电路为代表的半导体技术才是未来的主流。”也就是说在日本还忙着扩大产业规模的时候,美国已经在进行技术迭代了,这是不是某种意义上的降维打击?因此,虽然晶体管的产业规模做到了世界第一,虽然在政府部门的技术援助下,日本电器也在1958年推出了第一台完全国产化的晶体管计算机NEAC-2201,但当日本政府骄傲的把它运到巴黎万国博览会上进行展出时,却发现这个产品已经out了,好尴尬啊(请自行联想表情包)……

NEAC-2201  图源コンピュータ博物館

到这里就该我们前文提到过的“官学研”三位一体的体系登场了,关于这个名字有各种版本:官产学、产学和产学研等,我们比较熟悉的恐怕是“产学研”,我记得很小的时候就听过这个名词(为了避免暴露年龄我就不说是啥年代了),而且那时候印象中它就是和日本息息相关的,至于究竟是不是这样没必要深究,我们应该抛开这些不同的称谓看它们的内核,且来看看这个体系是个啥情况罢当时。1956 年 9 月,日本通商产业省(简称通产省,现为经济产业省)产业合理化审议会提出《关于产学合作教育制度》的咨询报告。同年 11 月,日本经营者团体联盟发表《关于适应新时代要求的技术教育的意见》,要求政府制定培养适应经济划时代发展的技术员和技工的计划,使大学理工科与产业界紧密联系,把握产业界的要求,并声明:产业界对大学师生到现场参观实习等工业教育活动及其研究亦尽可能给予协助。产业和学术界的合作在这些政策方针里都有所体现,当然官方在这个过程中也发挥着重要的作用,举个栗子:

60年代初,德州仪器看到日本电子产业的蓬勃发展,想要设立独资子公司分一杯羹,却在日本政府那里吃了闭门羹。经过四年的软磨硬泡,通产省终于松了口,却提出了极为苛刻的条件——拿核心技术来换市场。日本政府要求德州仪器先和索尼设立股权对半分的合资公司——凡是德州仪器独资子公司销售的产品,在合资公司里也必须有;其次,要在三年内向日方公开与产品相关的所有技术专利;最后,德州仪器独资公司的产品在日本市场的占有率不得高于10%。三管齐下,通产省为了拿到技术的同时保护日本市场,可以说是相当处心积虑了,这大概就是传说中的贸易保护?而且这仅仅是当年日本政府保护本土电子产业的一个缩影,为了防止美企的冲击,通产省还只允许极少数的电子元器件进口,而对200日元以下的中低端芯片元件进口设立了很高的关税,甚至采取了进口许可证政策。

当然官方在“官学研”体系中发挥的作用绝不仅仅是提供政策支持,很多大型项目没有官方牵头或者投资很难推进,更精彩的故事当然要在后面,总之在这些年的发展过程中“官学研”的模式似乎一直保持着活力,在当时来说也足以引导日本半导体行业稳步推进。1960年底,通产省工业技术院的电气试验所在利用逆向工程的方式研发出日本第一块晶体管集成电路后,东京大学工学部的教授们旋即与NEC展开合作,对晶体管集成电路进行基础性的研究,在此过程中他们遇到了一个棘手的问题:如何实现集成电路的工业量产?这个问题大家应该都能理解,逆向工程可以帮助实验室研发一块集成电路,却无法帮助工厂批量生产,工艺技术,从那时起就是横亘在半导体实验室和工厂之间的一道天堑。怎么办?刚拉开黎明幕布的日本半导体行业难道就要轻易在集成电路上被甩开了吗?那当然不可能,别忘了这个章节的标题是“抱大腿”,是时候再次发动这个技能了。 

当时美国仙童半导体已经有了一套成型的“平面技术”生产工艺(首先把具有半导体性质的杂质扩散到高纯度硅片上,然后在掩模上绘好晶体管结构,用照相制版的方法缩小,将结构显影在硅片表面氧化层,再用光刻法去掉不需要的部分),可以帮助实现硅晶体管的批量生产,而且1962年时仙童决定以收取技术授权费的方式向其他企业出售这只制造工艺,这不是瞌睡了就有人递枕头吗?等了许久的NEC迫不及待地出手拿下了这项技术。解决工艺问题后,NEC的集成电路产量暴增,1961年只有50块,1962年增长至1.18万块,1965年达到5万块,到1970年,NEC的集成电路产量已经达到3998万块。同时,根据日本政府的要求,NEC不得不将这一技术开放给了其他企业,三菱、京都电气等公司趁机杀入市场,日立与RCA(Radio Corporation of America,美国广播唱片公司),通用电气(GE)和东芝纷纷签订了技术转让协议;索尼和德州仪器也在历经4年磋商后,于1968年在日本成立了各自占股50%的合资公司。大幕已经拉开,舞台上总算是热闹起来了。

半导体梦之队——仙童八叛逆 图源搜狐新闻

在日本半导体产业起步的五六十年代,且不论上文已经出现过的这些日企,在舞台上起舞的选手还有很多,有一家也许那时候没那么耀眼但现在来看不得不提的企业也在默默发展积蓄力量——信越化学工业株式会社(简称信越化学)。信越化学于1926年以“信越窒素肥料株式会社”的名字成立,1939年开始生产硅产品,1940年正式更名为“信越化学工业株式会社”,1949年于东京证券交易所上市,到这里华生们可能已经发现了盲点,没错,就是硅,这也是我们这里要单独谈及信越化学的原因之一。硅是投入使用的第一代半导体材料,虽然相比于以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料和以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN,是的,就是这两年因为快充有点火的那只) 等第三代半导体材料,硅的物理性质限制了其在光电子和高频、高功率器件上的应用,但是从晶圆衬底市场规模看, 2017 年硅衬底年销售额 87 亿美元,砷化镓衬底年销售额约 8 亿美元,氮化镓衬底年销售额约 1 亿美元,碳化硅衬底年销售额约 3 亿美元,总体来看硅衬底销售额占比超过 85%,短期内在,硅在半导体材料中的主导和核心地位仍不会动摇。

2017年半导体市场份额(按材料) 图源@半导体行业观察

按照上文的套路,进入50年代,信越化学也遇到了一只大腿(我真的不想抱,可他们给的实在太多了),在接触到美国有机硅产业后,信越化学、东芝和岛津三只公司分别开始进行有机硅工业化技术的开发工作。1952 年,信越化学采取粉末触体搅伴式直接法完成了单体模型试验,有机硅产品开始投入市场,日本有机硅产业开始发展了。1953年,信越化学获得了专利权持有者——通用电气的“专门技术”使用权,同时又拿到了日本通产省的硅橡胶工业化补助金。1957年,信越化学和美国DC公司(Dow Corning,道康宁)签定了相关产品的专利使用权协议,1960 年开始正式生产高纯度硅、醋酸乙烯单体和聚乙烯醇,有机硅系列业务开始进入正轨。借助于政府的工业化补助金,信越化学大力开展研发工作,独自开发了诸如新型结构的聚氨醋用匀泡剂、加成型液体硅橡胶等新硅橡胶产品,提升了公司市场份额。1960年3月,信越化学的有机硅产品销售额首次突破一亿日元大关。此后,信越化学的有机硅单体产量,仅次于美国的通用电气、DC 和 UC(United Chemical Technologies)三大公司,跃居世界第四位。依靠信越化学的高速发展,1960-1970 年日本有机硅产量增长接近 6 倍,在这一阶段日本有机硅也完成了从弱到强的阶段。

日本有机硅产量 1960-1970 图源亿欧网

到这里关于日本半导体初期“抱大腿”的调侃似乎可以告一段落了,但是我们的老朋友故事开头的索尼又跳出来说我要搞点事情(就是来抢戏的),上文我们已经说了以索尼为代表的一大波日本厂商在五十年代疯狂造晶体管,除了造收音机还有什么用途——电视机(五十年代在欧美之外拥有一台电视机无疑是很靓仔的,尽管这大概率是一台黑白电视)。五十年代索尼的黑白电视机大卖,却并没有太强的技术竞争力,后来推出的彩色电视品控不够理想,这导致了索尼的巨额亏损甚至差点将公司推至了倒闭的边缘,盛田昭夫找日本开发银行借了一笔巨款才勉强撑住,而像前文一样,真正挽救了索尼的仍然是技术。1967年,索尼发表了由另一位联合创始人井深大亲自加入开发的特丽珑(Trinitron,特丽珑阴极映像管又称单枪三束管,为水平方面凸起而垂直方面笔直的柱面显像管,其画面比起同时代的普通显示器颜色更加鲜艳锐利)映像管技术,这项技术使得索尼电视在全球热卖。特丽珑这个名字索粉肯定不陌生,因为在过去它是电视机和电脑显示器最佳品质的同义词,索尼在很长时间内拥有这种设计的专利权,专利权过期后,其他的一些公司将自己生产的的这种荫栅显像管以珑结尾的名字命名。在一段时间内,采用特丽珑阴极映像管的显示器也被苹果、戴尔等其他一些公司销售,在市场上贴有特丽珑标签的显示器成为了索尼显示器的同义词,特丽珑显像管可以说是索尼产品线中仅次于随声听对世界产生极大影响力的发明。

特丽珑与电视技术发展的时间线图 图源百度百科

part2:创新掌握核心科技才是硬道理(二十世纪七十年代)

经过前面二十年的发展,进入七十年代的日本半导体行业看似挺稳但实则已经陷入了一种比较尴尬的境地,看上去似乎通过几项有利条件从美国手里分得了一杯羹,并且在某些技术上开始了自主创新,但总体而言仍缺乏核心科技,举个栗子:1964年,IBM宣布使用了集成电路的第三代计算机360系统问世(System/360是IBM在1964年4月7日,推出的划时代的大型电脑,这一系列是世界上首个指令集可兼容计算机,总的研发费用超过了50亿美元,IBM官网是这样描述它的:永远改变了 IT 行业,而且改变了世界上每天能够完成多少工作),日本通产省意识到本国企业在计算机领域与国外企业的差距,随即投入100亿日元进行追赶研究。而就在日本即将完成追赶目标时(1970年),IBM又开发出了使用大规模集成电路(LSI)的370系列计算机。日本通产省又被迫启动了数个与计算机相关的大型项目研究。1972年,日本通产省更是创设了“电子计算机新机种开发促进费补助金制度”,在1972年至1976年间投入570亿日元补助金用于资助富士通和日立、日本电气和东芝、三菱电机和冲电气(     OKI)三个企业联盟,分别从事IBM370系列对抗机型的开发。又是在即将追赶上IBM370系统之时,美国IBM开始着手开发第四代计算机“未来系统(Future System)”,计划使用超大规模集成电路(VLSI),这意味着日本的集成电路技术与美国将存在更大差距(这一段铺在这儿就是个大写的尴尬)。

 

System360执行的1加1二进制加法 图源IBM官网

为了描述这个差距我们要引入一个对本故事意义非凡的名词:DRAM( Dynamic Random Access Memory,动态随机存取存储器),相信大家对这玩意肯定不陌生,毕竟最近“感知不强”的LPDDR5有点上热搜的趋势,LPDDR(Low Power Double Data Rate SDRAM,就简称低功耗内存罢)属于SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步动态随机存取存储器),是DRAM下的一个分支。说了动态那顺便谈谈静态SRAM(Static Random Access Memory,静态随机存取存储器),这个动态和静态最主要的区别就是DRAM需要定时刷新,但本质上它们的存储功能都需要在通电状态下实现,停止电力供应它们存储的数据就会消失。存储器按使用类型可分为两类:RAM(随机存取存储器)和ROM(只读存储器),在手机中我们一般习惯把它们称为内存和闪存(比如8+64),它们的区别这里就不展开了。那么为什么要在这里引入DRAM呢?剧情需要,无论是站在全球角度还是只关注日本,此时的DRAM都在半导体行业的博弈中占据了胜负手的地位,电脑存储器的发展历史与IBM息息相关,太久远的先不谈,就从五十年代开始罢。

1956年,IBM购买了美籍华裔王安博士(八十年代一不小心还成了华人首富)拥有的“磁芯存储器”专利(1948年发明,核心使用微小的磁环,核心通过线程来写入和读取信息, 每个核心代表一点信息, 磁芯可以以顺时针或逆时针的方式磁化,存储在磁芯中的位为零或一,取决于磁芯的磁化方向,布线被布置成允许单个芯被设置为1或0,并且通过向所选择的导线发送适当的电流脉冲来改变其磁化,读取内核的过程会导致内核重置为零,从而将其擦除,这称为破坏性读数,在不进行读写操作时,即使关闭电源,内核也会保持最后的值),磁芯存储一直使用至1970年代。1966年,IBM的罗伯特·登纳德(Robert H. Dennard,被称为DRAM之父)发明了半导体晶体管DRAM内存,并在1968年获得专利。罗伯特·登纳德1972年提出的一个同样在日后产生了深远影响的想法,从而奠定了整个半导体行业的发展道路——“登纳德缩放比例定律”(简称:缩放定律),绘制了一个详细的模型:描述了随着晶体管的尺寸不断缩小,即使每个芯片消耗的能量几乎保持不变,但是在给定空间中能够容纳越来越多的晶体管数量,而且功能更强大、价格更低廉。对于每一代产品来说,工作频率(也被称为时钟速度)会比上一代产品提高40%,而指定空间可容纳的晶体管数量将比上一代产品增加一倍(是不是可以看作另一个版本的“摩尔定律”)。

 

罗伯特·登纳德(Robert H. Dennard) 图源搜狐新闻

说回DRAM,IBM虽然率先拿到了DRAM的专利,但首先大规模生产DRAM并获得成功的却是Intel(Intel于1970年10月,推出了第一个DRAM芯片C1103,有18个针脚,容量有1Kbit,售价仅有10美元,它标志着DRAM内存时代的到来),虽然那一时期Intel陆续发布了4004(世界上第一款商用微处理器)、8008和8080等早期微处理器(CPU),但主要的业务仍集中在DRAM上。同时IBM也并未放弃仍在积极进行研发,就像这一小节开头提到的那样,在1972年曝光的“Future System”计划中,透露出IBM要在1980年之前开发出1M的DRAM内存芯片用于下一代电脑,而当时日企还停留在1K DRAM的技术层次,这之间的差距不是十倍,也不是一百倍,而是1024倍。另一方面,在美国的政治压力下,1974年日本被迫放宽了计算机和电子元件的进口限制。当时在技术上有着碾压优势的IBM如入无人之地,横扫日本各大企业,仅仅用了一年时间就占领了日本计算机市场40%的份额,而日本的计算机厂商在国内市场的份额从 1970 年的60% 下降为 1974 年的 48%。面对技术上严重落后的现实和严峻的市场挑战,这一节的主角“VLSI”技术研究所应运而生(“官学研”体系在日本经历了长期的发展,日本政府与企业联合进行技术攻关的栗子很多,这里我们主要谈VLSI项目这只比较典型的),日本半导体产业在渡过了“亮亮再黑”的黎明之后终于迎来了真正的朝阳。

 

Intel 4004微处理器 图源21ic电子网

1976年至1980年,由通产省组织,根据《工矿业技术研究组合法》,与日本电气、东芝、日立、富士通、三菱电机五家日本大型半导体生产企业,以及日本工业技术研究院电子综合研究所和计算机综合研究所签署组成VLSI研究协会协议,组建研究联合体,即VLSI研究协会。关于VLSI项目的具体组织架构及年表这里就不详谈了(相关的研究文献有很多,我读了一些,选了引用里提到的史卫等人的研究成果,我将网址放出来,感兴趣的可以了解一波,http://www.chineseafs.org/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=23&id=1373),从目的出发我们主要讨论一下VLSI项目的特点、优势及取得的主要成果。

VLSI项目的最大特点在我看来是有效的合理化组织,这包括了政府与企业的共同努力,为了免俗我们先谈钱,1976年至1980年,通产省补助金总支出为592亿日元,其中用于支持VLSI项目研究的补助金支出为291亿日元,占通产省补助金总支出的49.2%,而这四年VLSI研究协会的总事业费约为737亿日元(约合2.4亿美元,这不是一笔小数目,作为对比当时中国的外汇储备只有1.8亿美元),通产省补助金数额约占总事业费的39%,剩余部分由参与的企业分摊,约占61%。VLSI研究协会的年均事业费约为184亿日元,是参与项目研究的五大计算机企业每年研发投入总和的2至3倍。能够参与一项以自身资金实力远远没有办法开展的前沿研究并从中收益,这对于参与企业来说具有很大的吸引力。

而在人才配置上,重点是设立了6个联合实验室,分别攻关高精度加工技术、硅结晶技术、工艺处理技术、监测评价技术、装置设计技术等核心工艺和技术,经过协调, 由联合实验室主任垂井康夫提出初步名单,经通产省相关部门出面协调,最终确定各实验室主任,实验室成员则由实验室主任自行挑选,下面这只图介绍了各实验室人员配置及任务分工,可以看出来总体上是比较平均而且能发挥出各企业技术优势的。然而,在研发经费的分配上,官方却并没有一味偏向于联合实验室,而是将大部分经费分配给了各企业内部实验室,据统计,联合实验室只拿到了总研发经费的15%-20%,剩余的80%-85%都分配给了企业内部的实验室,这样以企业为主体的经费分配方式,极大调动了企业的积极性,又能提升科研成果的应用性。此外, VLSI联合实验室取得的通用性和基础性关键核心技术研究成果,参与企业可免费共享。企业为更多挖掘研究成果的价值,会自觉增加应用开发研发投入,以增强自身竞争优势。1980年VLSI研究协会解散后,五家参与企业为了消化联合实验室的研究成果,在政府停止提供补助的情况下主动增加后续投入。据统计,1980年至1986年间,五家企业自行追加的研发投入总额达到600亿日元。

联合实验室人员配置及人员分工 图源见引用4

最后,合理的组织还体现在物尽其用人尽其才。VLSI协会根据相关技术的可市场化程度分配研究任务,对于通用性和基础性技术,在联合实验室进行研发;对于技术的应用性研究则由企业在各自独立的企业内部实验室进行,这种安排即保证了企业间在集中攻关上的合作,又促进了企业在应用研究上的竞争。而在人力资源的配置上,VLSI项目更是有着明确导向,简言之就是什么人干什么事,专业的人干专业的事,外行不指挥内行。在VLSI研究协会中,凡是由中立者担任的职务均由通产省出身的人员出任,他们的资历和出身能够赢得各参与企业的信任和合作,其职责重在协调和支持研究任务的顺利推进。而比如我们上文提到的联合实验室主任垂井康夫,他本职是电气综合研究所所长,曾参与、主持了多个大型半导体研发项目,对各大半导体企业中的技术骨干情况十分了解,对国际大规模集成电路发展动向十分熟悉,因此才得以被提名担任联合实验室主任这一重要职位。

当然只从上面这三点来谈VLSI项目的特点肯定是不全面的,它不是世界上第一个由政府牵头组织的研究联合体(1921年英国就出现了类似机构,后来这种研发模式进一步传播到了法国、德国、意大利和挪威等国,大家耳熟能详的“曼哈顿计划”和“阿波罗计划”其实也可以看作是这种模式,日本在60年代初就有过类似研发模式的尝试),更不是最后一个(虽然80年代后美、欧、韩等国家和地区的半导体产业联盟都有一种既视感),但它对于日本半导体产业的积极意义确实是空前绝后的,我们来看看它取得的丰硕成果就明白了:这四年中VLSI项目申请的专利件数达到 1210件(大约50%的申请来自于联合实验室),其中商业专利347件,共大约有600项获得了专利权,成功开发出了VLSI所必需的微细加工技术,大口径单结晶培育技术等结晶技术、理论设计、CAD等设计技术,膜形成、结点形成等工艺技术,元件、材料等的试验评价技术等基础技术,同时也开发了适用于这些技术的逻辑元件和存储元件的制造技术。

干巴巴的技术名词似乎不够鲜活,我们还是具体点。VLSI项目开发出了缩小投影型光刻装置,这为日本后来在半导体生产设备领域取得优势奠定了基础,此前日本的半导体生产设备80%依赖于美国进口,但到了80年代中期实现了全部半导体生产设备的国产化,80年代末日本的半导体生产设备世界市场占有率超过了50%。再看上文提到的存储器,70年代中期日企的4K DRAM销售额只占全球的10%,但在16K的DRAM中,由于    NEC、富士通等奋起直追,日企的全球销售份额扩大到了30%以上,在VLSI项目的推动下,日企率先将64K DRAM(1980年研制成功,比美国早半年)推向市场,以至日企的64K DRAM国际市场占有率攀升到了55%,超过了美国,至于更先进的256K和1M DRAM,还是给后文留一点内容罢,这也正是开头说VLSI项目奠定了日本存储器市场垄断地位的原因。此外,VLSI项目在晶圆大口径化上也取得了突破,这里首先得明确一个问题,晶圆尺寸越大,技术难度越大,成本也越高,今天我们经常听到的是8吋(200mm)和12吋(300mm)晶圆,偶尔会听到18吋(450   mm)晶圆的传说,但是在70年代,有研究认为晶圆的尺寸最大只能是6吋(150mm),可VLSI项目打破了这个理论,于1980年首次开发出了8吋晶圆。不仅如此,VLSI项目还就氧和碳等元素对硅结晶的影响进行了探讨,并对晶圆大口径化后的生产技术难题进行了深入的研究,这些都为 80年代日本半导体材料生产行业的崛起提供了强有力的支撑。

夸了这么久,VLSI项目就没有缺点或者问题了吗?当然不是。在我看来它的问题有二:一是由它的出发点决定的,技术和市场的双重压力催生了VLSI项目,当然本质仍是技术问题,所以在项目初始阶段就确定了一个直观的方向:赶超“蓝色巨人”IBM。具体的研究项目也多围绕这一核心开展,这就导致了整个项目缺乏足够的前瞻性,努力目标多设定在10至20年内有实用化可能的下一代技术研发上,这样虽然相比于六十到七十年代中期的研发目标有了很大的进步,但很直接的问题是:掌握了下一代技术之后呢?现在我们说起那时有一点很有意思:当时项目中的五家公司开始商业化生产时,都将主要力量放在了存储器,尤其是DRAM上,而对于需要有更高设计能力的微处理器都没有投入太多的精力,一个很重要的原因是微处理器的研发在VLSI项目中不是主流。二是由它的组织决定的,它是由政府与企业联合进行的项目,从组织机构上看缺乏占据主导地位的一方。这也可以理解,这样的组织已经是双方商议并有所妥协的结果了,要其中一方占据主导地位其他人必然不愿意,说的小人之心一点,这五家公司都是当时的巨头,彼此之间肯定也是分分合合有竞争也有合作,要一下子亲密无间大家可能还真有点不习惯。这样的组织形式就决定了这只是一个较为松散的联盟,任何一方的意志都无法占据主体地位,在有强大的敌人时可以共患难,却无法长久地同富贵。所以这个项目仅仅存在了四年就带着鲜花和掌声结束了,它完成了它的历史使命,在未来的日子里日本半导体行业回想起那时曾重新发起过联盟希望恢复往日的荣光,可惜……

图源搜狐新闻

part3:半导体行业最靓的仔(二十世纪八十年代)

进入八十年代,经过前文VLSI项目的预热,日本半导体行业迎来了最辉煌的时代,朝阳之后大概可以用如日中天来形容,我们来看看号称曾经达到垄断地位的DRAM。70年代美国的DRAM生产企业主要有Intel、德州仪器、莫斯泰克(Mostek,1969年德州仪器的首席工程师带着一群小伙伴创建的)、镁光(Micron,1978年从莫斯泰克离职的三名工程师创建的)和摩托罗拉,经过他们国内的市场竞争,莫斯泰克凭借低成本取得了优势,在Intel将更多的精力投入到8080微处理器上之后,莫斯泰克于1976年推出了采用双层多晶硅栅工艺的MK4116,容量提高到16K,这一产品帮助莫斯泰克击败Intel,占据了全球75%的市场份额。其后莫斯泰克又开发了64K容量的MK4164,到70年代后期,一度占据了全球DRAM市场85%的份额。但是随着日本厂商廉价芯片的疯狂冲击,短短几年时间,美国厂商就撑不住了。1979年,陷入困境的莫斯泰克,被美国联合技术公司(UTC),以3.45亿美元收购,后来又转卖给了意法半导体(巅峰即灭亡,其实莫斯泰克要是知道了后面的故事,它会庆幸自己倒在了80年代的门槛前)。镁光于1981年开始投产,第一批产品是64K DRAM,主要供应给正在飞速崛起的个人电脑制造商,像当时销量很高的            Commodore 64电脑,就是采用镁光64K内存。到1984年,镁光推出了世界最小的256K DRAM。总体而言,1980年时,日本研制的DRAM产品,只占全球销量的30%,美企占到60%。

 

莫斯泰克1973年发布的MK4096 图源电子发烧友网

那么日本当时的DRAM产业是个什么情况?举个栗子:1980年,美国惠普公司公布DRAM内存采购情况,对竞标的3家日企和3家美企的16K DRAM芯片进行质检,结果显示:美国最好DRAM公司的芯片不合格率,比日本最差DRAM公司的芯片不合格率,高出整整6倍。虽然惠普碍于情面,没有点出这些公司的名字,但人们很快知道了,3家美企是Intel、德州仪器和莫斯泰克,3家日企是NEC、日立和富士通。当时市面上流行的电脑是大型机(IBM占据了主导地位,1966年时日本通产省也曾联合日立、东芝、NEC、富士通、三菱、冲电气等企业进行大型机的攻关),个人电脑的出货量较小,而且普遍售价较高,1978年全球个人电脑出货量为20万台,市场规模大约有5亿美元。而在大型机主导的市场下,DRAM的质量必须要达到很高的水平,大型机经久耐用且价值数亿日元的特性,决定了整机里面的DRAM也是必须高度可靠、耐久使用的。当时的大型机厂商,要求DRAM要有25年保质期,日本半导体制造商也真的造出来了。更绝的是,日立为了拿到订单,甚至在给销售部门的指示上明确要求,要比美企的价格低10%,比你优秀还比你便宜,这让人怎么拒绝?

 

1978年上市的Apple II价值1500美元 图源搜狗百科 

此外还有一个较为关键的因素,IBM于1981年发布了跨时代的个人电脑——IBM5150,个人电脑的市场也迅速繁荣起来,内存市场需求更大,所以可以说一方面有技术和质量的保障,另一方面又有了更加广阔的市场和应用场景,日企从而进入了投资——量产——再投资的良性循环。1982年,日本成为全球最大的DRAM生产国,这一年3月,NEC的九州工厂(当时的九州岛有“硅岛”之称,占据了日本40%的半导体芯片产量),DRAM月产量为1000万块(约1万片晶圆),到了10月,月产量暴增至1900万块。其产量之大,成品率之高(良率超过80%),质量之好,使得美企望尘莫及。与产量相伴的是,原来价格虚高的DRAM内存模块,价格暴降了90%,一颗两年前还卖100美元的64K DRAM存储芯片,现在只要5美元就能买到了,日本厂商还能赚钱,美企由于芯片成品率低,根本无法与日本竞争,因此陷入困境。1982年,美国50家半导体企业秘密结成技术共享联盟,避免资金人力重复投资。可是这些合作项目刚刚启动,就传来了坏消息。美国刚刚研制出256K DRAM内存,而日本富士通、日立的256K DRAM已经批量上市。1983年间,销售256K内存的公司中,除了富士通、日立、三菱、NEC、东芝之外,只有一家摩托罗拉是美企,光是NEC九州工厂的256K DRAM月产量,就高达300万块。日本厂商开出的海量产能,导致这一年DRAM价格暴跌了70%。内存价格暴跌,使得正在跟进投资更新技术设备的美企,普遍陷入巨额亏损状态。难以承受亏损的美企,纷纷退出DRAM市场,又进一步加强了日本厂商的优势地位。

 

IBM5150 图源搜狐新闻

1985年,镁光被迫裁员一半,1400名工人失业,镁光只得向美国政府寻求帮助。从1985年至1986年,Intel连续亏损六个季度,DRAM市场份额仅剩下1%。当时,Intel的年销售额为15亿美元,亏损总额却高达2.6亿美元,被迫关闭了7座工厂,并裁减员工。濒临死亡的Intel,被迫全面退出DRAM市场,转型全力发展CPU,由此获得新生。同样在日本厂商的围追堵截下被迫退出DRAM的还有摩托罗拉,德州仪器也被NEC夺走了行业老大的位置,日本半导体产业走上了顶点。1979年日本的集成电路国际贸易开始出现顺差,1980年对美集成电路贸易出现顺差,这一年日本集成电路国际市场占有率只有26%,远低于美国的68%。但到了1986 年, 日本的半导体产品占世界市场的 45.5%  ,高于美国的44%,成为世界最大的半导体生产国,到1989 年, 日企占据了世界存储芯片市场53% 的份额, 而美国仅占 37% 。还有另外一组数据同样可以说明问题:70年代初,半导体企业前十中没有一家日企,81年时日企的64KDRAM量产达到了世界第一,富士通、NEC、日立跻身前十。到1988年,全球20大半导体厂商中,日本占据了11家,美国只有5家,三星排在第18位。1990 年,日本半导体企业在全球前10中占据了6席,前20中占据12席。

 

1990 年全球十大半导体企业,日本企业(灰色)占据六席 图源@云锋金融

当时日本的半导体产业繁荣到了什么程度呢?相对于CPU来说,DRAM的结构简单得多,进入门槛不高,变成一种拼制造的产业,日本几乎有点实力的公司都争相挤入DRAM。在日本半导体产业发展高峰时期,既有NEC这种老牌的半导体厂商,也有做家电的松下和炼钢铁的新日铁这样的奇葩新人。当时新日铁的主业是钢铁,和半导体没半毛钱关系,也要来分一杯羹,不仅要抢DRAM蛋糕,连半导体材料也不放过,毫不犹豫地进入了硅晶圆业务,然后,你应该能想象到它为什么被称为奇葩。总之,随着日本半导体行业奠定在全球的江湖地位后,配套的日本半导体材料和设备也崛起为一支强势力量。沾半导体光的还有日本传统制造业,电子计算器、家电、照相机、汽车、手机(功能机)、显示器等产业相继崛起,几乎每一个都把美国相应的产业耍得一愣一愣的。可以说,在半导体芯片的引领下,整个日本制造业实现了腾飞,日本半导体产业完美演绎了什么叫“一人得道,鸡犬升天”。

这一阶段日本的有机硅产业同样处于持续的高速发展阶段,1970-1986 年日本有机硅产量从约 6000 吨增长至超 60000 吨,产量增长超过 10 倍。日本有机硅完成了对美国的反超,同时,1979年日本有机硅产品输入36亿日元,输出37亿日元,日本也完成了从有机硅输入国到输出国的转变。在日本政府在行业发展前期给予的多种优惠政策及补贴外,通产省 1989 年再次制定了投资160亿日元的“硅类高分子材料研究开发基本计划”,计划分三期,目的为确定有机硅单体及聚合物的合成及加工技术,这一计划再次为以信越化学为首的有机硅生产企业提供了资金和技术的大力支持。在这些资金和技术的支持下,信越化学在不断的研发下,一步步地发展壮大成了世界最大的半导体材料制造商。总体来看1985年日本半导体材料在全世界的市场占有率就达到了60%,两年后又进一步上升到了70%以上。

 

七八十年代日本硅产量增长图 图源亿欧网

也正是在日本半导体产业处于鼎盛时期的八十年代,天空中飘来了一朵乌云,大洋彼岸的美国终于开始重视这只看上去一直很听话的小弟了(当年蜜汁自信的后果,现在脸真疼)。早在80年代初日本厂商物美价廉的半导体产品进入美国开始,美日之间就出现了小规模的贸易摩擦,1982~1984年,日美相互协商撤销半导体关税率,以保证自由贸易的流通,同时由于市场需求增大,两国紧张关系得到缓和。但到了1985年时,由于半导体需求减少,出现了供大于求的情况,就像上文提及的,日本产量的急剧增大导致了DRAM价格暴跌,美企又在256K DRAM的关键节点上失去了技术优势,因此Intel、AMD等美国半导体企业联合起来相继控诉日本在美国倾销,并指责美国商品在日本销路不好,是因为受到了日本的不公平竞争,日本当然不会轻易松口,于是扯皮,于是谈判,于是在这一年的9月,美日之间签署了到现在日本仍在喟叹的《广场协议》。相信这只协定大家都不陌生,从日本到现在还耿耿于怀为了它拍大腿我们就不难想象其内容,简单来说那时候美国财政赤字剧增,对外贸易逆差逐年升高,亟需通过美元贬值来增加出口产品的竞争力,而日本正处于高速发展的时期(1987年日本GDP超越前苏联,成为世界第二大经济体),存在过热的情况,需要通过升值日元来拓宽海外市场,因此《广场协议》就这样诞生了,内容也基本上满足了参与各方的要求。当时除了美日两国还有联邦德国、法国和英国的参与,虽然现在后悔但那时主管日本经济的大藏省却是在强力推动协议,所以表面上似乎不存在什么不公平之类的,当然背地里的事儿我们就暂时不探究了,毕竟玩战术的心都……

广场协议漫画 图源360百科

从本文的角度出发我们还是看看《广场协议》之后对日本半导体产业影响较大的第一次《美日半导体协议》(1986年9月由日本通产省和美国商务部签订,为期五年),根据这项协议,美国暂时停止对日企的反倾销诉讼。但作为交换条件,要求日本政府促进日企,购买美国生产的半导体,加强政府对价格的监督机制以防止倾销。并且美国半导体产品,在日本市场占有率,可以放宽到20%。日美半导体协议的签署,在日美贸易摩擦史上,具有重要意义,如果说之前的《广场协议》乍看上去似乎没什么端倪,那么这次半导体协议的签署对日本的限制就是赤裸裸的了,这也说明美国对日政策发生了根本性的变化,从全力扶植日本经济,转向全面打压日本经济。气势正盛的日本半导体产业并未立刻被打断迅猛发展的势头,上文的数据已说明了部分问题,日本的半导体产品份额最终在80年代末超越美国成为了世界第一。然而盛极而衰的栗子不计其数,日本半导体行业也没有脱离这个怪圈,无论我们前文怎么溢美怎么铺垫都阻挡不了盛世下的危机,90年代初,日本泡沫经济破灭,山崩了!

part4:失去的二十年(二十世纪九十年代至今)

传说这失去的二十年是日本对自己二十世纪九十年代经济泡沫破灭后二十年内国内经济惨淡境况的形容,也有人说这是日本为了迷惑美国而进行的战略欺骗,我们且不管别人的脑洞有多大,使用这个标题只是因为它和我们要讨论的内容比较贴切,这一时期的故事就要从泡沫经济的破灭开始说起。这里就不详细讨论泡沫经济的具体情况了(因为不懂经济,也懒得查),我们需要了解的是泡沫经济导致资金疯狂涌入房地产和金融市场,不再青睐半导体这样需要大量前期投资却短时间看不到成效的实体产业。同时由于我们上文提到的半导体跌成白菜价,日本厂商虽然把美国同行虐得体无完肤,但自身也蒙受了巨大的损失,这种情况下生产的越多不就亏得越大嘛?偏偏那个时候日本的整个产业界都在卯足了劲生产,那多余的产量怎么办?走外销,但《广场协议》之后日元迅速升值,放到国际市场上半导体产品出口的竞争力就受到了极大的影响。和韩国半导体产业的寡头垄断不同,日本的产业模式是由几家巨头齐头并进,在盈利受损的情况下,出于股东权益的考虑,日企不得不减少了对半导体的技术设备投资。仅在1985年,由于市场不景气,日企砍掉了近40%的设备更新投资,最终的投资额为4780亿日元(19.9亿美元)。1986年市场仍未回暖。1987年需求虽有恢复,但日本各厂商对投资持保守态度,该年度投资额仅有2650亿日元(18.4亿美元),只占营业收入的15.3%。

所以市场终究是很现实,没有钱,投资——量产——再投资的良性循环就无法持续,屡试不爽的“官学研”体系就无法正常运转,其实这和美国半导体在七八十年代被日本赶超的原因很像,1973年爆发了石油危机之后,欧美经济停滞,美国逐渐减少在半导体领域的投资,也正是在这个时期,日本通过VLSI项目和巨量投资,在技术上超越了美国走上了巅峰,更有意思的事,在日本半导体产业渐露疲态的八十年代末,一水之隔的好邻居韩国开始发力了,以三星、LG和现代等为代表的韩企开始加大投资,实现了超车,在日本半导体行业最擅长的DRAM领域打败了当时的世界第一NEC(1992年),看罢,又是钱,钞能力果然好用,历史就是个圈儿。

与此同时,当日企还在忙于追踪大型机、沉迷于25年保质期DRAM的时候,PC产业经过长时间的酝酿终于蓬勃发展起来了,PC 取代大型机成为计算机市场上的主导产品,也成为 DRAM 的主要应用下游,而此时包括NEC、日立、富士通等在内的日本制造业企业,都是垂直一体化的整合分工模式,他们同时生产半导体和整机。除了日本的整机厂商,没有多少PC公司,愿意把日本人用25年保质期技术生产出来的昂贵DRAM装在自己的机子里面,因为个人电脑的寿命不过5年时间,也不需要多高的品质。对 DRAM 的主要诉求转变为低价,也正是因为DRAM技术门槛不高,所以韩国、中国台湾等通过技术引进掌握了核心技术(曾在日立和尔必达任职,著有《失去的制造业:日本制造业的败北》的汤之上隆怀疑三星等韩企当年通过不光彩的手段窃取了日企的核心技术),并借助劳动力成本优势开始与日企竞争(又是熟悉的套路)。90年代中后期,Windows系统的出现、海外廉价机和互联网的普及,摧毁了在封闭温室下生长的日本PC产业,这对于日本半导体产业也是一个历史性的转折点,在即将到来的个人电脑时代,日本半导体企业失去了最后的筹码。

 

失去的制造业:日本制造业的败北 图源豆瓣网

当然谈起日本半导体行业的败退,一起相爱相杀了几十年的美国当然要出来搞一波事儿,1986年第一次《美日半导体协议》虽然没能对正上头的日本半导体行业产生立竿见影的效果,但5年后的1991年6月美日又坐到了谈判桌前,再次签署了为期五年的第二次《美日半导体协议》,内容大致和第一次类似,然后就在这次协议的有效期内,韩国逼上来了,Intel的奔腾(Pentium,1993年)发布了,“Wintel”联盟开始横扫了,日本半导体行业的内忧外患聚齐了。等到1996年7月第二次《美日半导体协议》到期时,日本经不起这样折腾了所以强烈反对续约,然后你以为日本就这样获得喘息之机了?一年后,席卷全球的亚洲金融危机爆发,东南亚和东亚首当其冲,日本当然没能幸免,这成了压垮骆驼的最后一根稻草,日本半导体行业的下坡路不可避免了。

奔腾处理器 图源超能网

上文我们提到了日本半导体八十年代的辉煌,1990年,全球10大半导体公司中日本占6家,NEC、东芝及日立高居前3大半导体公司,Intel仅居全球第4,三星尚未能进入前10,后来呢?1993年日本将半导体市场份额第一的宝座还给了美国,从此再也无缘登顶。1995年,全球10大半导体公司中日本占4家,Intel跃升为全球半导体公司龙头,NEC、东芝及日立退居2、3、4名,三星电子及现代电子挤进前10。1998年,韩国取代日本,成为 DRAM 第一生产大国,全球 DRAM 产业中心从日本转移到韩国。1999年,富士通宣布退出DRAM芯片市场,曾经独霸天下的NEC、日立、三菱则将各自的DRAM部门合并成立尔必达(Elpida)。截止2000 年,日本DRAM 份额已跌至不足 10%。2000年,仅有NEC、东芝及日立进入全球10大半导体公司排行榜,三星电子仅落在东芝及NEC之后排名第4,Intel仍居全球第一。从1990年到2007年,日本半导体占全球市场份额从49%跌至7%,曾经霸榜的巨头们到2018年仅剩东芝还留在了全球前10的半导体企业中(第8名,2017年,美国贝恩资本领衔的联合体宣布斥资180亿美元,从日本东芝收购闪存制造业务东芝存储公司)。为了直观一些我们放一波图罢。

全球半导体市场规模(按地域) 单位:亿美元 图源@DT半导体材料

全球半导体行业产值(按地域) 单位:亿美元 图源@DT半导体材料

不同地区半导体市场占有率 图源@DT半导体材料

我们可以清楚地看到九十年代以后日本半导体产业的衰落,行业内也普遍认为半导体产业自上世纪五六十年代起源于美国之后经历了三次产业转移,第一次产业转移就是七八十年代由美国到日本的过程,而后面两次的产业转移日本都已经无缘参与了。我在开始这只主题时搜索日本半导体,目之所及大概可以看到三种声音:相当一部分人认为日本半导体产业已经完全败退,现在就靠东芝、索尼和瑞萨(Renesas)三家在支撑,但排名已比较靠后;另一部分人却说日本半导体产业只是壮士断腕放弃了一部分阵地,但仍牢牢把控着产业链上游中的材料和设备,有垄断的趋势,2019年日韩贸易战中这一点就表现得很明显;剩下的人观点介于前两者之间,即承认日本半导体行业的衰落,但认为其在产业链中仍占据一席之地。这三点意见存在分歧,但共同点是都基本认可日本半导体产业的衰落,然后当然就冒出来了各种分析,我们这里也没有免俗地提及了一些原因,但是其实我更愿意和大家分享一只案例来共同思考,恰好也是这几年被提及了无数次的光刻机之战。

光刻机是个啥我想没必要再解释了,它的技术原理也不是我们要讨论的重点,我们需要知道的是在目前的半导体设备中,以光刻机为代表的曝光设备是销售额最高的一个品类,而这两年被反复提及的ASML占据了超过80%的市场份额,我们这里要提到的主角尼康(Nikon)则和它的同乡佳能(Canon)一起瓜分了剩余的市场,而高端市场基本上只是ASML一家独大,没剩余两家什么事儿(当然光刻机本身就够高端的了),可是想当年,局势却完全不是这样。光刻机领域早期都是美企在表演,能上牌桌的美企基本上也就GCA、Kaspe和Perkin Elmer等几家,当时占有技术优势的是投影式光刻机和步进式光刻机(Stepper)。但借助于VLSI项目取得的技术突破,日本成功开发出了缩小投影型光刻装置(前文已有提及),这为未来日本在半导体生产设备领域确立优势地位奠定了基础。八十年代初,在GCA的步进式光刻机效率不高的情况下,尼康发售了自己首台商用步进式光刻机NSR-1010G,拥有更先进的光学系统,而且极大提高了产能。此时的光刻机市场不够成熟,而半导体厂商相对固定,一台机器能用很多年,稍微落后一点的机器就没人愿意买,所以这时候各家开始拼技术实力。

步进式投影示意图 图源百度百科

因为占据了一定的技术优势,GCA和尼康开始一起挤压了其它厂商的份额,尤其是Perkin Elmer的投影式光刻,Perkin Elmer的市场份额从80年超过三成快速跌到84年不到5%。但是,由于GCA的镜片组来自德国蔡司(ASML的EUV光刻机所用镜片组同样来自于蔡司),不像尼康自己拥有镜头技术,合作方面的磨合问题使得GCA产品更新方面一直落后了半拍。1982年,尼康在硅谷设立尼康精机,开始从GCA手里夺下一个接一个大客户:IBM、Intel、德州仪器、AMD等。在日本国内,半导体产业大发展,东京电子、 NEC、东芝等厂商的采购也推动了尼康的发展。两年后,尼康已经和GCA平起平坐,各享三成市占率。Ultratech占约一成,Eaton、Perkin Elmer、佳能、日立等剩下几家每家都不到5%。但是这样的平衡并没有维持太久,由于1986年前后半导体市场的不景气,美国大部分光刻机厂商都遇到了严重的财务问题,最终在1990年之前都纷纷倒下了,这时的日本半导体产业虽然已经有走下坡的趋势,但对于尼康和佳能两家来说光刻机市场该它们表演了。当然偌大的舞台要是只有它们两家实在是太无趣了,在遥远的欧洲,成立于1984年的ASML也撑过了最初几年难熬的日子开始逐渐发力(ASML背后的恩怨暂时就不提了),而且和同样年轻但充满活力的台积电(TSMC)建立了良好的合作关系,九十年代光刻机市场的三国争霸拉开了帷幕。

光刻机发展历程 图源@科工力量

当时尼康和佳能忙着收拾美国市场,而ASML则把目光投向了亚太地区的新兴市场,在推出两代光刻机后,1994年ASML的市场份额只有18%,但设计超前的8吋PAS5500成为扭转时局的重要产品,另外1995年的IPO也给ASML插上了翅膀。率先采用PAS5500的台积电、三星和现代(后来的海力士)很快决定几乎全部改用ASML的光刻机。由于ASML对半导体新兴市场的主动出击,公司获得了极大的发展。1999年公司营收首次突破10亿欧元,达到12亿欧元;而2000年时营收更是翻了两倍以上,达到27亿欧元。有钱了,我们所谓的良性循环就又发挥作用了,ASML开始在全球市场和光刻技术不断攻城略地,但此时尼康的市场份额长期维持在50%以上,要击败这样一只巨头仅靠钱必然是不可能的。

光刻机工作原理 图源雷锋网

转折点出现在了193nm光刻光源上,此前行业卡在这个节点上已经有20年了,九十年代末的各种尝试都未能突破这一节点,终于,2002年,台积电的林本坚博士在一次研讨会上正式提出了浸入式193nm的方案,这基本上宣判了半导体界正在开发的各种光刻技术方案的死刑,ASML抓住机会,在一年的时间内就开发出了样机并在之后推出浸入式产品XT:1700i,该光刻机比之前最先进的干法光刻机分辨率提高了30%,可以用于45nm量产。世界各大半导体厂商广为采纳,而XT:1700i也成为ASML对尼康、佳能的致命一击。在ASML推出浸入式光刻机XT:1700i的前后脚,尼康也宣布自己突破完成了157nm产品以及EPL产品样机。然而,浸入式方案属于小改进大效果,ASML产品成熟度高,所以很少有厂商去订尼康的新品。随后,尼康被迫也宣布去做浸入式光刻机,但为时已晚。尼康在ASML的阻击下遭遇了大溃败,其在2004年之前在光刻机市场第一的宝座上盘踞多年,但之后一直呈现下滑态势,光刻机本来是小众市场,有限的几个大客户倒戈之后,ASML占据市场八成的垄断地位也就理所当然了。

林本坚博士 图源腾讯新闻

当前的尼康精机基本上只能靠屏幕面板光刻机撑着,面板光刻机是个小众市场,技术要求比芯片光刻机低很多,基本上在微米级,因此尼康目前最顶级的光刻机也远远比不上ASML,尼康最新的Ar-F immersion 630卖价还不到ASML Ar-F immersion 1980Di平均售价的一半,更不用说ASML十余年磨一剑产出的EUV光刻机。喔对还有佳能,其实尼康已经足以说明问题了,佳能当年的数码相机称霸世界,利润可观,对一年销量只有百来台的光刻机重视不够,所以直到现在佳能还在卖350nm和248nm的产品,给液晶面板以及模拟器件厂商供货。

尼康博物馆镇馆之宝-全长130cm的玻璃锭 我本来是想去看一看光刻机的,但是看到这玩意就直接wow!awesome! 图源尼康博物馆

案例完了,我们得看看以尼康为代表的日本光刻机厂商败在哪?汤之上隆认为,ASML打败尼康,不仅仅靠押对了技术路线,还靠模块化和标准化的外包模式,使生产的光刻机保持在极小的误差范围内,而且每台机器的误差范围全部相同,而尼康(包括佳能)的产品则是每台的误差范围都不一样。结果就是,ASML的设备无论吞吐量(每小时处理的晶圆片数)还是稼动率(实际产出数量与可能的产出数量的比值),都高过日本设备。三星、台积电这些晶圆代工的后起之秀企业,对光刻机的需求和NEC、日立等传统芯片制造厂商完全不同,十分重视光刻机的吞吐量和稼动率,因此ASML的产品更合胃口,双方很快一拍即合。ASML还引入台积电、三星、英特尔等客户入股,以股权为纽带,加强合作关系,这种创新的营销手段在日本半导体设备厂商那里,简直是天方夜谭,不可想象。总体而言他认为,日企太容易墨守成规,不知变通,为了所谓的技术常常把工艺工序搞得很复杂,推高产品成本,很容易在技术更新换代时被淘汰。

汤之上隆的观点代表了相当一部分人对日本制造业的看法,人家珠玉在前我就不瞎说了,关于日本半导体失去的这二十年我主要想谈两点:我们在九十年代日本半导体行业面临的局势时就说到了内外交困,来自于美国的打压和韩国半导体企业的步步紧逼无疑是无法忽略的外部因素,但这不能够称为关键性因素,道理很简单,堡垒都是从内部倒塌的,外部因素不应该成为决定我们发展的主要角色,所以其实我是想实名表扬以华为为代表的的一大批中国企业的在这里,愈挫愈勇逆势上扬的背后是坚持了几十年的克难攻坚,放在这里对比是不是显得有点鲜明?另一点则是和上面的观点有点重复,我们是不是可以简单地把日本光刻机之败形容为精密与复杂之败?复杂的工序即提高了成本又无法保障误差范围,我么可以说日企坚韧专一打磨出了许多令人叹为观止的艺术品,可是将一项技术带入寻常百姓家需要的是足够亲民的价格(不可避免地又谈到钱),当然是在保证一定质量的基础上,相对而言日企的产品价格真的挺高高在上的,这也是我一直强调当年小米对于国内智能手机及移动互联网的普及做出了巨大贡献的原因。我们不是在强调物美价廉或者便宜没好货,而是希望在产品质量与价格之间寻求一个平衡,极端当然可以有,可是平衡才是推动行业有效发展的主流。日本失去的二十年,不单单是价格与产品质量之间的失衡,更是过度集中与DRAM领域导致产业结构失衡无法及时调整难以可持续发展的表现。

part5:当前日本半导体究竟实力几何?

简单地过了一遍日本半导体行业70年的发展历程后,这个问题自然就冒了出来——当前日本半导体究竟实力几何?回顾一下这些年我们看到的新闻罢:出生便带着一身伤病的尔必达苦苦挣扎无果后在2012年2月申请破产保护,当年7月被镁光以25亿美元的低价收购;曾经的显示面板巨头夏普2016年8月成为鸿海精密工业公司的子公司;硕果仅存的显示面板产商——JDI(Japan Display)经营困难资金短缺;2019年12月松下宣布退出半导体业务,将旗下相关工厂、设施及股份转让给中国台湾的新唐科技……这样的新闻大家见的确实不少,这也难怪唱衰声一片。但是另一方面也还有这样的消息:2016年7月,日本软银以234亿英镑(约合310亿美元)的价格收购英国芯片设计公司ARM;2019年7月,日本对韩国进行了半导体材料的出口限制,引发韩国半导体行业地震……面对这样的情况,出现上文所说的第二种和第三种观点也就不奇怪了,这也正是我在查了许多资料后得出的结论:日本半导体行业相比八十年代全盛时确实衰落了很多,传统强项存储器几乎完全失守,但仍是国际半导体市场中一支重要的力量,在产业链上游比如半导体材料和设备等领域占据了相当的优势。

尔必达生产的2G DDR3内存条

我们先来看看半导体材料,芯片生产过程中需要19种必备材料,其中多数均有极高技术壁垒。而日本在硅晶圆、合成半导体晶圆、光罩等14种重要材料方面分别占据超过50%的份额,在全球半导体材料行业长期保持着优势。还记得我们前文两次提及的信越化学吗?这里又该它开始表演了,90年代信越化学的有机硅业务在国际竞争中已建立了绝对优势地位,开始进行国际化扩张,分别在台湾、美国、新加坡、荷兰建立了分公司与工厂,并不断探索新的业务线,1998年开始光刻胶的企业化,2001年最早研制成功了最尖端的300mm硅片,2007年开发RoHS限制(          Restriction of Hazardous Substances,关于限制在电子电气设备中使用某些有害成分的指令,由欧盟颁布并于2006年7月1日正式开始实施)对应光隔离器并共同开发了凸版印刷和最尖端光刻掩膜版,2008年开发世界最大级别的永久磁铁式磁电路。当前信越化学能够制造出具有11个9(99.999999999%)的纯度与均匀的结晶构造的单晶硅,在全世界处于领先水平,其先进工艺可以将单晶硅切成薄片并加以研磨而形成硅片,其表面平坦度在1微米以下,同时,一贯化生产发光二极管中的GaP(磷化镓)、GaAs(砷化镓)、AIGaInP(磷化铝镓铟)系化合物半导体单晶与切片,它占据了全球约27%的硅晶圆供应,它的另一家日本同行三菱住友株式会社(SUMCO)则占26%,以它们俩家为代表(有人称它们为半导体材料界的“Intel”和“台积电”),包括住友电木、日立化学、京瓷化学、日本合成橡胶公司(JSR)和东京应化(TOK)等十余家日企共占据了全球半导体材料市场约52%的份额(数据源自SEMI)。

2014年日本半导体材料全球份额占比 图源亿欧网

除了硅晶圆我们可以看看其他半导体材料领域日企的表现。在集成电路生产过程中,要利用光蚀刻技术将图形复制到晶圆上,就要用到光罩(光掩膜版)的原理。而全球最大的光罩生产商是日本凸版印刷株式会社,至今已有119年历史。这家公司和美国Photronics、大日本印刷株式会社(DNP)三家占据了半导体光掩模市场80%以上的份额。在靶材方面,全球前6大厂商市占率超过90%,其中前两大是日本厂商 Shin-Etsu和     SUMCO,合计市占率超过50%。使得光刻工艺得以实现选择性刻蚀的关键材料——光刻胶,目前其核心技术被日本和美国企业所垄断。JSR是全球最大的光刻胶生产商,另外信越化学、TOK、SUMCO均处于行业领先地位,日本占据了全球光刻胶产量的90%。在日韩贸易战中,日本限制出口的材料除光刻胶(光刻胶容易变质,所以韩企难以大量储存)外还有两种韩国难以找到替代产品:在芯片制造过程中用作蚀刻气体的氟化氢(HF,剧毒,同样难以储备);用于智能手机显示屏的含氟聚酰亚胺(PI),其中日本生产的含氟聚酰亚胺同样占据了约全球产量的90%。值得一提的是,氟化氢目前中国国产化较高,高工工业研究所的调研报告显示,2018年中国氟化氢生产线有103条,年产能达192.1万吨,实际产量158.8万吨。

全球半导体材料生产份额 图源亿欧网

然后我们再来看看半导体设备。在半导体设备领域,核心装备集中于日本、欧洲、美国、韩国四个地区,Gartner的数据显示,列入统计的、规模以上全球晶圆制造设备商共计58家,其中,日企最多,达到21 家,占 36%。其次是欧洲的13家、北美10家、韩国7家,中国4家(上海盛美、上海中微、 Mattson(2017年亦庄国投收购)和北方华创,仅占不到 7%)。美国半导体产业调查公司VLSI Research发布2018年全球TOP 15半导体生产设备厂商,其中日企独占7席(日本第一的半导体设备厂商东京电子(TEL)高居第三,仅次于美国Applied Materials和ASML)。半导体领域必备的26种设备中,日本企业在10种设备所占的市场份额超过50%,在电子束描画设备、涂布/显影设备、清洗设备、氧化炉、减压CVD设备等重要前端半导体设备几乎垄断市场,在后端半导体设备,日本的划片机和成型器也是世界第一,此外日本还是三款重要后端检测设备的霸主。但是,有一点也不得不提,日本占据垄断地位的清洗等几项设备,市场空间并不大,总体容量比销售额最高的曝光设备小很多。

2014年全球半导体必备设备日本份额占比 图源智东西

因此,日本半导体行业虽然失守了一部分阵地,但在国际半导体领域中,它的声音还是不容忽视的,更不用说还有靠信仰来充值的索尼大法(     IMX系列的CMOS这两年不晓得被念叨了多少遍),在功率元件(处理电力,所有的电子设备都离不开它)上占据优势的三菱电机、富士电机等企业,财务表现不佳但在车载芯片领域仍占有一席之地的瑞萨,当然还有软银重金收购的ARM(它对于智能手机和平板有多重要不必我多言罢),此外这两年大热的AI和物联网,日本虽然起步较晚但也在积极布局……所以我们没必要过分唱衰日本半导体行业,同时也没必要过分夸大它在产业链中的地位,在经济全球化的今天,一个企业甚至国家想要在一个行业中占据绝对优势几乎是不可能的,大家各有优劣,需要互相依存,所以还是理性客观一点的好(很明显我也没那么理性)。

part6:好长好长的碎碎念(在被封号的边缘疯狂试探)

文章一开头我就提到了谈日本半导体行业的发展其实是醉翁之意不在酒的,我们谈半导体不是一两次了,我们因此被卡脖子的情况也是一言不合就在上演,中芯实现14nm量产我们当然激动,但是这14nm的光刻机仍然来自于ASML,代表国产光刻机最高水平的上海微电子目前最先进的   600系列光刻机只能实现90nm制程工艺芯片的量产(2018年中科院光电所造出了分辨率达22nm的光刻机,但这并不是量产型的,主要承担研究任务,主要用途集中在超材料/超表面,第三代光学器件和广义芯片的研究上),65nm制程的光刻机仍在攻关,2018年中芯花了1.2亿美元从 ASML订购的EUV光刻机几经周折仍然没影,更不用说14nm工艺与国际顶尖水平的差距。我在开始这个话题之前花了许久想着抖机灵来形容目前我们没有尖端光刻机的这种窘境,只用尴尬来形容实在是太儿戏,后来我想到了那个古老的故事,庖丁解牛,神乎其技,可如果庖丁手中没有那把宰牛刀,那三年之后又三年,他和牛大眼瞪小眼真的就能悟了?如果没有那把宰牛刀,他在魏惠王面前手之舞之足之蹈之那是弄啥咧?跳大神?当然这个抖机灵的打比方不太恰当也不符合庖丁解牛的主题,因为我们必须清醒地看到我们不止是光刻机被卡脖子,我们的一部分半导体材料、尖端工艺和晶圆制造也同样被卡脖子,站在魏惠王面前的庖丁即使没有那把宰牛刀也仍然技艺超群,我们呢?没有刀,更没有技艺超群,我们也许都没有站在魏惠王面前的资格……

上海微电子600系列光刻机主要技术参数 图源上海微电子官网

我甚至想到了建国初期毛主席对当时国家情况的描述:“现在我们能造什么?能造桌子椅子,能造茶碗茶壶,能种粮食,还能磨成面粉,还能造纸,但是,一辆汽车、一架飞机、一辆坦克、一辆拖拉机都不能制造。”现在呢?我们能造什么?能造“墨子号”卫星和“京沪干线”,能造“ EAST(先进实验超导托卡马克)”和“环流器二号”,能造“麒麟990”和“神威 太湖之光”,还能造“蛟龙号”和“长征五号”,我们能造的东西是在太多了对罢?小到STM(扫描隧道显微镜)和AFM(原子力显微镜)的探针(一般为一个原子,尺度在1nm左右甚至更小),大到数万吨甚至十数万吨的航空母舰和豪华邮轮(在造了在造了),多到几乎让我们忘记那些我们现在仍然造不出来的东西。此外,在近日《自然》杂志更新的自然指数(Nature Index,于2014年11月首次发布,根据前一年在Nature系列、Science、Cell等82种自然科学类期刊上发表的研究型论文进行统计和计算,包括化学、地球与环境科学、生命科学和物理学四大类,在一定程度上反映了高水平的自然科学研究成果产出,此次自然指数统计时间段为2018年12月1日至2019年11月30日)排名中,中国科研机构表现优异,科大在全球高校中位居第4,北大和清华分别位居全球第6和第7,内地共有40所高校排进了全球高校TOP200,更不用说在总体排名中多年盘踞榜首的中科院,这样令人振奋的数据是在太多了,大概不需要逐项列举。

全球高校自然指数排名Top 20(2018.12.1-2019.11.30) 图源中科大官网

当然你要是一脸认真地问我那我们现在到底造不了什么,抛开文章的主题我还真就愣住了,我学到的确实太少,之前报道国产圆珠笔头的时候我也才意识到原来这玩意这么精密而且我们一直无法完全实现国产啊,我能想到的就只有学过的TEM(透射电子显微镜)我们现在造不出来(1979年在黄兰友老师牵头下我们造出了DX-4透射电镜,使用石墨化碳黑样品,看到了分辨率为3.4Å的晶格像,随后又拍到了2.04Å的晶格像,达到了当时国际先进水平,然后,就没有然后了)。所以我找来了一组近三年进口产品数据,我们且抛开原材料和初级工业品不谈,因为太懒2019年的数据我也没查完整,在不便于结合现有的资料做臆测的前提下,起码可以看出我们仍有相当一部分工业产品严重依赖进口,国内产量无法满足现有需求或者暂时无法大规模量产,虽然这个情况在逐渐改善,但这不是一年两年甚至五年十年就能解决的事儿,弯道超车也必须满足相应的条件。我不由得想起来柴女士当年在那个视频中采访中石化前总工程师曹湘洪时问他中石化是否可以承担更多的社会责任时得到的回答:“中石化是大,就像一个人,很胖,但是虚胖”。我想如果我把这个形容加到我们的中国制造上似乎太过于危言耸听了(当然我也是为了过审,毕竟已经有了前面的描述,如果能过审,请喊我过审小王子),但面对这些表格中的进口数据我心里确实不是个滋味。

2017年中国进口中高级工业品数据 图源@宁南山 数据源自中国海关总署

2018年中国进口重点商品量值1 图源@信利康资讯 数据源自海关总署

2018年中国进口重点商品量值2 图源@信利康资讯 数据源自海关总署

2019年我国进口排名前十的商品 图源@黄金管家 数据源自海关总署

想到这儿我几乎无法动手开始这个主题,这怎么越说越down了,说好的蜜汁自信呢?然后和基友在讨论的时候他说我们是不是可以这样想:我们没有其他的也没几个有啊,光刻机就ASML、尼康和佳能三家,Intel强不?GLOBALFOUNDRIES牛不?还不是要找人家买设备?三星恶不?日本停供光刻胶不照样得乖乖站好。难道这世界上就只有中国和外国这两个国家?他这一番话几乎要说服我了,但是本着一直以来“我可以不用,但你不能没有”的嘴脸,我仍毅然决然地选择我全都要,原因想必不用我再啰嗦。至于我们要怎么做到全都要,这才是我这只文章的出发点,虽然我们提倡的是“因地制宜”,但我们也必须有“它山之石可以攻玉”的眼光和胸怀。在《如何焐热中国“芯”》一文中我就已经提到了这个老生常谈的路子:人才、资金和政策支持,以及足够的耐心和时间。我的观点现在大抵还是和当时一样:我们的半导体行业不是没有进步,不是缺乏各种条件支持,但是我们仍需要足够的耐心和时间,需要付出更多更大的努力,需要更多的外部条件,这注定是一条漫长的布满荆棘之路,没有捷径可走,坚持走下去才会春暖花开。骰子已经掷出,奋力向前吧亲爱的兔子!!!

p.s.这只文章酝酿的过程中确实十分纠结,就像我在文中说的那样,在整个民族都在奋战的时刻我真的还要谈这些吗?然后我本来想煽情的,结果每逢过年胖十斤实在是已经煽不动自己了,我只能默默地对自己说:越是艰难的时候越是要好好生活做好手头的事儿,我坚信,国虽多难,然必兴邦!!!

p.s.s.最后要感谢@十万个品牌故事,原因不便多说,但正是他(她)们2月14日在某视频网站发布的动态让我有了完成这只文章的勇气和动力,谢谢你们!

引用:

1.十万个品牌故事——【富士通】二战中崛起的富士通,变卖半导体业务背后,是衰落还是寻求突破?

2.“云锋金融” 翁放——日韩中的半导体“三国杀”

3.亿欧网——能扼助韩国半导体咽喉?日本半导体材料实力几何

4.“中国财政科学研究院” 史卫 韩风芹 翟盼盼——关键核心技术突破关键在组织方式创新-日本VLSI研究联合体的启示

5.“OFweek维科号” 一分日元——回顾美日DRAM芯片之争

6.钛媒体——日本垄断半导体材料真相

7.“CV智识” 杨健楷 张丽娟——日本半导体的“昭和陷阱”

8.科工力量——光刻机之战

9.智东西——日本半导体60年兴衰史!从王者跌落神坛,却靠两样东西制霸全球

10.半导体行业观察——看似衰落的日本半导体已经掌握了上游

11.毛泽东——关于中华人民共和国宪法草案

12.百度百科相关词条