芯片破壁者(十.下):富士山上的绝响

脑极体 2020-08-07 14:49

2019年,日韩骤起贸易争端,日本方面称可能停止韩国的半导体原材料供应,一时间吃瓜群众以为将看到两国大战。没想到的是,强悍的韩国半导体很快“怂”了下来,三星太子李在榕第一时间飞到东京寻求解决,还碰了一鼻子灰悻悻而归。

在我们的印象里,日本半导体行业不是衰退了吗?怎么还是在贸易争端中给人能一击致命的感觉?

事实上,在今天的半导体全球分工中,日本半导体在芯片生产设备、生产原料等领域依旧占据着举足轻重的地位,并且拥有全流程、体系完善、专利覆盖全面的半导体业态。在中美围绕半导体展开新一轮科技交锋时,日本的产业链也成为了中国宝贵的外部资源。

根据日本半导体制造装置协会(SEAJ)发布的报告,预计2020年日本半导体制造设备销售额将达到2.2181万亿日元,同比2019年度增长7%。而半导体设备之所以能在发展缓慢的日本经济中“一枝独秀”,就是因为中美科技博弈大背景下,中国加大了对日本半导体设备、原材料、半成品的采购力度,目前中国已经是日本半导体产业第一大出口市场。而广为国人所知的华为、中芯国际,都是日本半导体设备与原材料的重要买家。更有甚者,在美国宣布对华为进一步科技封锁后,传出了华为希望与尼康、佳能合作光刻机的消息。日本半导体行业在中美芯片博弈中的地位可见一斑。

而这所有日本半导体产业的区位优势,都可以说是上世纪八十年代——那个日本经济黄金时期,也是日本半导体黄金十年的留下的“遗产”。

承接上文所述,日本从60年代开始,在LSI等领域推行了激进的贸易保护与产业刺激措施,最终培育出索尼、日立等一系列国际顶尖公司。到了80年代,日本继续这条产业路线,抓住DRAM的技术机遇一飞冲天,超过美国成为全球半导体第一大国。1986年,日本的半导体产能全球占比达到45%;1989年, 日本公司占据了世界存储芯片市场53% ,而美国仅占37%;1990年,全球前10大半导体公司中,日本公司就占据了6家,NEC、东芝与日立割据三甲,后来统一了CPU市场的英特尔也只能屈居第四。

与产业份额、公司地位同样成功的,是当时日本半导体堪称“高质量”的代名词。1980年,惠普在16K DRAM验收测试中发现,日本日立、NEC、富士通三家公司的产品,不良率是惊人的0,远远好于英特尔、德州仪器、莫斯泰克这美国三强。

盛极一时,风头无两的日本半导体80年代,可能是中国产业最希望学习和模仿的案例,而这个时代仅仅维持了10年,也是国人必须引以为鉴的历史。

那个硅谷从0到1,富士山下从2到3的神奇时代,究竟发生了什么?

属于霓虹国的DRAM时代

所谓硅谷从0到1,日本从2到3,在70年代中已经发生了一个深刻的变化。50、60年代,日本商人更多是购买美国专利,通过高良品率和低生产成本来打入民用市场。这种模式在美国公司逐渐重视民用市场后,很快就失去了效果。但在半导体市场上积攒了足够技术、产能与野心的日本企业,开始寻觅更大的机会:在核心市场中,技术领先美国,质量全面占优的机会。

这个机会就是此前我们专门讨论过的DRAM,即动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)。随着70年代后半期,超大规模集成电路的发展,以及存储市场应运而生,DRAM变成了全球半导体产业的新焦点。存储市场技术门槛不高,但需要制程、工艺上的长期钻研与演进,并且对良品率有较高的要求,这一切都正中长期布局LSI技术的日本企业与学、政各界之下怀。

DARM很像今天的5G和AI,新的技术创造新的需求,新的需求导致新的机遇。想要改写此前坚固的产业规则,就不能在别人身后疲于奔命,而是要在新技术变局中迎头赶上,创造身位交错的历史契机。

回头来看,会发现DRAM的发展就是日本的契机。在DRAM产业化初期,1K的DRAM最早在1970年于美国完成,日本在1972年才研制成功。而16K DARM就变成了美、日在1976年同年研制成功。第二年,也就是1977年,日本就突破了64K的DRAM生产,美国却等到1979年才研制出来。而64K不仅让日本一举赢得了DRAM市场的全球占有率桂冠,同时也宣布日本领先美国进入了VLSI(超大规模集成电路)时代,两强交错就此完成。

在此期间,日本可谓以举国之力,集合了产、学、政各种力量来突破64K和128K DRAM工艺,并且实现了相关半导体工艺的全面国产化。通过全产业链模式,不再依靠西方上游产业的日本半导体实现了惊人高的良品率,为80年代的黄金十年奠定了最重要的产业基础。而日本NEC、日立、东芝等主要公司也乘势而起,成为全球半导体版图中的顶尖存在。同时,大量日本制造业、化工业,甚至船舶和冶金业公司也纷纷被DRAM的庞大蛋糕吸引,加入了DRAM产业链当中。今天日本有千奇百怪的半导体公司,基本都是受到DRAM风暴的感召。

需要注意的是, 虽然日本DRAM技术表现突出,但在处理器等更高端半导体产业依旧缺乏独立性与基础创新能力。日本产通省和日本商人更多瞄准的是利益,而不是底层技术的自主可控。高端芯片依旧牢牢控制在硅谷手中,这也是日本黄金十年背后若隐若现的忧患。

而今看来,中国半导体面对的局势可以说与日本当时有几分相似。美国虽然牢牢控制着产业链上游,但AI、5G、物联网等新技术的崛起却在带来新的变数和机遇。尤其是物联网芯片,其与通信产业高度相关、低门槛、低成本的特征,非常适合中国半导体产业的发展。或许物联网就是21世纪的DRAM——毕竟大量设备的涌现,很可能给半导体生产系统造成剧烈的底部变化。

当然,这只是一个姑妄言之的猜测。

黄金十年背后的VLSI研究所

理解日本半导体的黄金十年,我们可能需要更多一些归因。比如DRAM是日本的机遇,但日本到底是如何能在核心技术上超越美国,抓住这个机遇的呢?

这里有个隐藏的胜负手,就是堪称彼时最成功产业协同组织的日本VLSI研究所——很多日本学者,将这一组织定义为半导体黄金十年最大的幕后功臣。

VLSI研究所为何重要?这还需要从日本半导体产业的独特模式与发展机遇说起。

70年代中期,日本IC产业在LSI领域赚的盆满钵满,但美国公司强大的研发和底层创造能力始终是太平洋彼岸最强大的敌人。比如IBM预计在1978年推出采用VLSI(超大规模集成电路)的新型计算机,如果日本产业链还处在LSI的传统产业周期,势必很快在半导体贸易自由化背景下被美国公司轻易击垮。

技术竞赛的警钟拉响,团结的日本半导体产业迅速集结起来,开始思考如何应对这场危机。想要与美国公司进行科技竞赛,最大问题在于开发VLSI需要消耗巨大的产业投入。而此时日本公司的体量与研发能力,对比IBM这样的美国巨头还有巨大差距。

既然单打独斗,各自闭门造车无济于事,日本产通省决定祭出日本商人的传统艺能:团结就是力量。组织各公司、大学共同研究突破VLSI的技术难题,最终成果各大公司共享。用军团战术来应对美国巨兽的潜在威胁。于是,1976年日本产通省通从所属电子技术综合研究所选拔出一系列半导体专家, 由他们牵头组织日本五大计算巨头:富士通、NEC、日立、东芝和三菱电机,共同打造了“VLSI研究所”。这个组织的目的在于超越美国,制造出最先进的VLSI存储芯片,之前我们说过日本在DRAM上连连赶超美国,就是VLSI研究所造就的半导体奇迹。从1976到1980年,VLSI研究所总共消耗研究资金737亿日元, 其中五巨头出资446亿日元, 日本政府以向成员企业提供免息贷款形式补助291亿日元,此后相关投入从专利收入和DRAM的市场回报中得到了有效回收。

并且VLSI研究所虽然到1980年宣布结束,但这种多家企业、大学、政府组成专项研究所的模式却得到了继承。80年代日本能够成为全球半导体第一,很大程度依赖于研究所模式能够有效建立基础研究底座,避免重复劳动,集中研究经费,从而让日本半导体具备清晰的产业方向与较高的发展速度。

VLSI研究所模式,成功消解了日本公司相对弱小,无法集中力量攻克研发难关的问题。并且这个模式中规定了只开发基础技术,而不涉及半导体产品的研发,从而保证了日本几大公司可以在享用共同开发技术之后,在产品阶段继续保持竞争,开发市场,从而在一致对外与保持内部竞争间达成了相对的平衡。

通过VLSI研究所模式,日本一举在DRAM基础技术上超越了美国,从而导致此后一系列产业格局的改写。相比而言,美国在70年代出现了明显的经济滞胀,科技企业缺乏创新的动力与支持。而集中力量干大事的日本看准了美国公司的停滞,一举冲垮了根深蒂固的半导体防线。某种意义上来说,在5G等技术上,今天的美国同样出现了创新力不足、研发投入放缓的现象,那么五十年之后的中国又该如何抓住这个机会呢?或许这是中国半导体产业,乃至社会各界需要更深层思考的话题。

回顾历史,会发现VLSI研究所模式的优缺点是相当明显的,其分摊成本、集中力量突破基础研究的方式当然值得借鉴;然而其没有改变商业模式与产业链模式,让日本各企业依旧独立发展,缺乏上下游搭建,也客观上培养日本几大企业都成了大而全的产业体态,缺乏灵活多元的模块化特征。这也为后续日本半导体的衰落埋下了隐忧。

到了80年代,随着VLSI技术以及DRAM产品的成功,大量日本半导体产品与日本公司走向了美国。大量日本公司在美国建立子公司、合资公司,以及收购美国半导体产业。至此,日本半导体走向了耀眼的盛世。

但极速扩张的日本半导体,也引发了美国的深刻忌惮与反弹。

日本的后路

如果从更长期历史的角度看,VLSI研究所模式到底是成功还是失败了?这个问题可能颇具争议。毕竟其滋养出全产业链模式的日本公司,确实在90年代一败涂地。也给日本半导体产业扣上了缺乏变通、举国体制的种种帽子。但换个角度看,VLSI研究所更像是日本在当时特殊情况下没有选择的选择。如果不这样做,日本半导体将无法触及核心科技,势必被掉头走向民用且资源强大的美国公司席卷一空。

另一方面,VLSI研究所虽然没有长期确保日本半导体的领先地位,但却给日本半导体留下了后路。开头我们所说的日本能够通过光刻胶等几个“小玩意”制裁韩国,背后都有VLSI研究所留下的影响。

在70年代中后期,日本的半导体设备与原材料同样主要依靠从欧洲、美国进口。但在VLSI研究所逐步推进的过程里,日本半导体产业开始在产通省的有意引导下,以DRAM作为商业契机,推动本土半导体生产设备与生产材料快速发展。在政府高度补贴、几大公司拿出真金白银进行产业合作的背景下,VLSI研究所孵化了多种多样的半导体上游企业。比如在其资助下,开发了各种类型的电子束曝光装置、干式腐蚀装置等制造半导体关键设备。在VLSI研究所的引导下,光学领域、印刷领域、化工领域的日本公司,以各自擅长的方式,在产业链上游切入了半导体行业。我们最近热议的佳能、尼康的光刻机生产能力,就是在这一阶段得到了VLSI研究所的大力培养,甚至一度制霸全球。

毕竟半导体产业具有极高的门槛,内部体系精密、技术秘诀众多。一家非半导体公司想要进入产业上游,缺乏技术、信息、市场规则上的沟通很难成功。而VLSI研究所却以半官方半产业的方式,给这些公司提供了沟通半导体行业,拿到订单与资金支持,发挥自身特长,加入产业链的机会。最终,VLSI研究所变成了一次国民行动,培养起来的半导体生产设备与原材料公司也将产品输送到国际。在这个竞争相对较弱,适合慢工出细活的产业周期里,日本企业相对来说更加如鱼得水。即使90年代日本半导体全线败落,大量由VLSI研究所孵化的上游公司依旧确保了在全球产业链中的优势地位。今天,日本是最大的半导体原材料出口国,拥有全球非常少见的全产业链能力,或许也是VLSI研究所或有心或无意,给日本半导体工业留下的“退路”。

VLSI研究所模式,也体现了美国与日本在国家扶持半导体方面极大的不同。彼时,美国的扶持方式主要是通过政府和军方订单来催生半导体产业发展。而日本产通省则更多是通过多方面的资源调配与产业合作,瞄准民用市场机遇,进行有组织有竞争的产业协调与帮扶。

日本半导体的黄金十年已经远去,但其所面临形势与发展模式,却与今天的中国留有非常多的相似之处。从那段历史里,也能整理出几份今天仍可借鉴的经验。比如说:

1、半导体突围,必须依靠底层技术和核心产业发展。

VLSI研究所模式的初衷,就是打破日本半导体擅于制造,不擅创新的瓶颈。通过对底层技术的突破,尤其是对上游产业的大力发展,日本确实完成了美国重压下的翻盘。并且在半导体上游的布局,直接影响了日本半导体如今的地缘区位,成为国际贸易中的一把“利剑”。直面艰难且充满困境的底层技术、核心产业,可能才是半导体博弈永恒的重心。

2、积极展开产学研政沟通,求得最有效的产业效率。

无论是VLSI研究所的成功,还是后来美国牵头打造全球半导体协作体系,都证明了半导体不可能是一家公司勇往直前,而必须建立在有效的平台模式、协作机制、模块化分工之上。产业协作、专家监督的另一重意义在于,可以有效克服急于求成、外行领导内行,或者盲目跟风、轻率投资、项目造假等情况的发生。这点在中国尤其需要注意。

3、找到变数,并且合理驱动变数放大。

客观来说,日本半导体产业在70-80年代,确实完成了我们总是挂在嘴边的“弯道超车”。日本半导体没有选择核心处理器这种高难度应用,而是瞄准了DRAM这种相对难度较低、市场广阔的应用场景。在发展半导体产业的过程里,清晰合理的预判,以及对变化的预估,甚至推动变化发生都是非常重要的。经常出现的情况是,我们或许没必要砸下天文数字去搞高性能CPU,或者难度极大的光刻制程工艺。但可以从新市场、新需求出发,去抢占先机,然后平衡以往的产业劣势。在芯片博弈中,需要洞若观火的预见能力。物联网、自动驾驶、AI芯片,甚至量子计算芯片,芯片需求和芯片市场本身的变化,就是冲垮半导体枷锁的战局所在。选对方向,把核心攻坚和未来发展调一致,才是冲出封锁的正道。

一系列正确的选择,让日本半导体来到了全球第一的宝座。但接下来的局势却更加复杂。日本产业链、公司甚至社会舆论的错误认识,以及众多“形势比人强”的不得已因素,最终导致日本很快又丢掉了努力数十年的成果。

伴随着日本经济泡沫的破裂,富士山上闪耀十年的芯片之光,竟然就此成了绝响。

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