美国半导体产业往事

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随着美国《芯片与科学法案》细则的出台，产业界很自然的回忆起美国SEMATECH (Semiconductor Manufacturing Technology Research Consortium - 半导体制造技术科研联盟)的往事。笔者尝试通过先容SEMATECH成立的背景，运营机制以及遇到的问题，来探寻在今天这个特殊的历史节点，对中国发展半导体产业有什么启示。



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反制日本半导体产业




当年美国是通过举国体制来反制日本半导体产业的。


虽然集成电路诞生在美国，但是日本于1976年发起一项超大型集成电路计划（VLSI, Very Large Scale Integrated Circuit），加强日本半导体的制造能力，后来日本真的实现了技术上的超越。


为了恢复美国在半导体领域的领导地位，对外美国政府逼迫日本签订了《美日半导体协议》，用增加关税的政策限制日本半导体产品的出口；同时对内，1987年美国国防部高级研究计划局（DARPA）和美国半导体协会（SIA）共同牵头，组建全国性研发中心SEMATECH。


SEMATECH是一个半导体制造工艺研发的合作联盟，该组织设在美国德州的奥斯汀(Austin)，参与的主体是美国国防部、能源部、国家实验室、国家科学委员会、国家标准及技术院、得州大学以及会员企业。


从下图可以看出，SEMETECH是企业化运营，董事会主席和总裁兼CEO是专职负责人，其他高管和顾问来自会员。首任董事长由英特尔企业的创始人诺伊斯担任（当时他已经从英特尔退休了）。



在治理结构方面，SEMATECH采用两种方式：


会员企业直接参加SEMATECH的活动。


建立理事会，会员企业的高级管理人员参加理事会，同时采用轮值制，由会员企业轮派人员担任理事长；同时设立实行技术委员会，通过该委员会确定联盟的研究开发和测试活动的优先级别。实行技术委员会下设技术咨询委员会，负责具体项目的咨询、审查与批准。


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美国特色的举国体制




大家从四个方面来看一下美国政府具体做了哪些事情：


立法。为了规避一些现行体制或法规约束，美国国会在1984年通过的《联合研究开发法》，目的是为了规避反垄断法律障碍，鼓励研发联盟企业的建立；1993年通过《国家合作研究与生产法案》，鼓励企业研发投入，并着重激励新技术的成果转化。


财政。SEMATECH自1987年成立至1996年，投入预算17亿美金，其中一半由美国政府财政资助，具体由美国国防部高级研究计划局提供，对SEMATECH进行拨款和项目管理。50%也是WTO《补贴与反补贴措施协定》规定的研发补贴比例上限。


组织。政府作为参与者，直接介入SEMATECH的管理，避免企业之间为了自己的利益各自为战。


监督。美国国会每年对SEMATECH的经费的使用、技术进展、管理有效性和提升产业竞争力等方面进行评估。审计署每年也会对SEMATECH联盟的财务情况进行监督和审计。


运行机制




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企业化运营




在第一部分，大家已经展示了SEMATECH的企业化组织结构。


从资金来源上来看，政府和产业界是各出50%。政府每年出资1亿美金。创始企业每年出资1亿美金，企业之间按照年销售额比例分摊。




从研发目标上来看，是通过集中研发，减少重复浪费，而达到研发成果共享。最初的目标是开发下一代先进的半导体制造技术，但政府很快发现这一目标并不可行。每家会员企业的技术和产品规划都不相同，很难统一研发方向。


SEMATECH把研发方向限定在“竞争前”阶段的共性技术和产业基础设施研发，明确SEMATECH不组织任何产品研发的基本原则。共性技术，就是通用的技术，各家企业不管制造什么产品都要用到的。那么什么是“竞争前技术“（precompetitive technology）？


竞争前技术是基于能应用于未来但还非常早期的技术探索与开发活动。竞争前技术最大的特征就是研发结果非常不确定，或者说研发投入的风险很高。从经济学角度来看，高风险就意味着高回报，竞争前技术也是面向市场空间极大的潜在机会。


这一基本原则设定得非常好，则既激发了会员对开发共性技术的积极性，又降低了会员之间对资源使用不公平的顾虑。


SEMATECH按照前端研究、技术开发、生产率划分为三个阶段，不同的子企业侧重于不同的专业分工，SEMATECH统一购买设备和测试服务，减少了企业的重复开发等工作，降低企业的研发成本。


前端研究：子企业AMRC，关注材料和新兴技术；


技术开发：子企业SEMATECH高级技术，关注先进工艺开发；子企业ATDF，关注研发工艺化和原型。


制造阶段：子企业ISMI，关注制造生产率。


对于研发成果，风险和利益是共同承担的。SEMATECH采取了“差别政策”，即设备保留条款（Equipment Hold-back Provision）和常识产权条款。设备保留条款是指SEMATECH禁止其会员的设备制造企业在一年内出售设备给非会员企业；而常识产权条款是指SEMATECH将创新常识优先授权给会员两年。


对于非会员企业，SEMATECH则以委托开发的形式提供技术服务，从而加强与外部的交流，实现技术溢出和成果扩散。


据VLSI Research首席实行官Dan Hutcheson估计，合作研发的模式为整个半导体行业至少节省了2000亿美金的技术开发支出，同时创造了20亿美金的研究价值。


SEMATECH 创始会员：


IBM

Intel Corporation

Motorola

Texas Instruments

National Semiconductor

Advanced Micro Devices

Lucent Technologies

Compaq Computer Corp.

Hewlett-Packard Technology

Conexant Systems

NCR Microelectronics Corp.

Harris Semiconductor

LSI Logic Corp.

Micron Technology


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成就斐然




SEMATECH从成立起的十年间，取得了巨大的成就。


在制造工艺上，SEMATECH先后攻克了0.8微米、0.5微米、0.35微米的制造技术难题。


在制造设备上，SEMATECH逐渐从改进制造流程、提升良率的制造技术转向了半导体制造设备技术。


SEMATECH在研发过程中发现，要突破半导体制造技术，很大程度上依赖于掌握先进的半导体制造设备。放在今天就是半导体产业界常说的，就是“一代设备，一代工艺，一代产品”。


美国半导体设备企业的三巨头应用材料（AMAT），泛林（LAM），科磊（KLA）都是SEMATECH的会员，但很多人不知道美国曾经有多家光刻机企业，比如Perkin-Elmer，SVG (Silicon Valley Group)和GCA（Geophysical Corporation of America）。


在诺伊斯支撑下，SEMATECH与GCA签订了生产当时最前沿的技术-深紫外（DUV）光刻设备的合同，同时鼓励美国芯片制造企业购买更多美国生产的制造设备。仅仅为光刻机的研发，SEMATECH就投入了7000万美金（但GCA在1988—1992年仍然亏损了3000万美金）。


诺伊斯在位的时候，重点就是拯救美国的光刻业。1989年，诺伊斯曾经在美国国会上说：“在很大程度上，SEMATECH的成功与否，可能会由它在拯救美国光刻机制造商方面有多成功来判断。”


但事事并非顺利，后来的故事大家也知道了，英特尔始终坚持用尼康的光刻机，尽管GCA掌握了最新的步进式光刻机的技术，也不可避免的走向破产。今天，美国虽然没有造出EUV光刻机，但是牢牢掌握着EUV的光源技术。


而在工艺的制造设备领域，SEMATECH联合开发的成果使得所有会员企业拥有制造设备的总成本大为降低。SEMATECH鼓励美国企业使用美国制造的半导体设备，制造设备不断改进，成品率不断提高，美国半导体产业终于重新获得了全球的领导地位。


人才流动和技术扩散




SEMATECH会员企业的的义务之一就是派遣技术人员到SEMATECH任职，任职为6-30个月。在半导体制造领域，核心技术往往不是专利，而是一种隐性常识或技术秘密，技术人员的交流可以有效地实现传播和扩散。


人才交流制度不仅有利于企业、大学和科研机构的核心技术人员水平的提高，同时也为产业界培养了一大批优秀的技术人才。SEMATECH的400个技术人员中，大约有一半以上来自于其会员企业，科研成果也随着人才的流动扩散，整个产业界的科技创新能力得到提升。


据说，SEMATECH还组织过管理学研讨会，教授小型的工商管理硕士（MBA）课程。


1987 年，SEMATECH项目启动。1996年，SEMATECH已经形成了可持续的商业模式，美国政府也中止了对SEMATECH的公共财政拨款计划。今天SEMATECH已经成为国际上知名的半导体技术、工艺、设备和标准的合作研发组织，也是美国半导体行业开展国际合作的重要平台。


会员制的问题




SEMATECH聚集了当时最强大的科研力量，会员们开始出钱出力，IBM甚至捐赠了一条8寸晶圆厂，放到SEMATECH项目中做基础支撑。


一方面，众多企业组建的联盟，不同的企业学问之间，协调非常困难。习惯白衬衫的IBM员工看不惯来自加州风格随意的AMD，AT&T的员工颇有城府，而来自英特尔的人非常直率。


另一方面，众多会员之间难免各有私心。英特尔作为缴纳会费最多的“带头大哥”，经常被抱怨制程技术的走向被引导至有利于英特尔的方向。一度会员企业不愿意把企业最优秀、最能干的技术人员派到SEMATECH。


最后，作为SEMATECH的关键成员，国防部优先考虑的是涉及国家战略安全的技术。但这些技术商业低而军事价值高，例如模拟和数字超高速集成电路，砷化镓微波等。由于涉及国家安全，在1992年以前，SEMATECH是不允许国外企业参加，这也限制了引进全球范围内最优秀的技术。


结语




各国政府对半导体行业研发补贴历史源远流长。日本在1976—1979年推出超大规模集成电路计划，四年间政府补贴291亿日币，占研究费用总额的40%，日本在1986年成为世界上最大的半导体生产国。美国政府自诩一向不干预市场，但为了反制日本，在半导体领域组建SEMATECH，1987-1996年投入财政预算17亿美金，并且达到了反制的目标。


美国一方面倡导自由竞争的国家，另一方面又是非常重视政府主导的产业联盟的协作。半导体产业需要极大的研发投入，单个企业实力有限，仅依靠市场的作用资本配置也不够，而且各个企业都重复投入类似的研发项目，分散了资源，造成研发效率不高，很难实现突破和领先。




事实上，国内江苏省产业技术研究院、广东省工业技术研究院都在尝试学习SEMATECH，台湾工业技术研究院（ITRI）和德国弗劳恩霍夫协会（Fraunhofer-Gesellschaft）等成功的共性技术研发机构的经验。但从治理机制来看，仍然以政府或国有企业为绝对主导，距离成熟的多方治理的模式还有较大的进步空间。