一家日本味精廠造成全球缺芯,對中國半導體有哪些啟示

一家日本味精廠造成全球缺芯,對中國半導體有哪些啟示

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近日,全球缺芯潮導致晶片價格不斷上漲,甚至影響到了蘋果等巨頭的手機出貨。讓人意想不到的是,全球「缺芯潮」的重要原因之一,竟然是一家日本味精廠的產能不足。

先暫不討論一家味精廠能否果真卡住全球半導體產業的脖子,但在日本確實存在這麼一家企業——味之素集團,它以味精起家,成長為全球半導體行業不可忽視的材料供應商。

他山之石,可以攻玉,這個故事對於中國半導體產業發展或許有新的啟示。

味之素的創立:谷氨酸鈉的故事

味精的主要成分是谷氨酸鈉,這是一種提取自海帶、大豆等植物之中的化學物質。1908年,日本帝國大學的化學教授池田菊苗率先發現這種神奇的鮮味物質,並與一位名叫鈴木三朗助的日本商人合作,共同成立公司,將產品命名為「味之素」,這便是味之素集團(Ajinomoto)的前身。

「味之素」一經問世便受到了大家的歡迎,時至今日,味精已經成為每家每户必備的日常調味品。味之素集團也隨之發展壯大,將產品擴充至湯料、冷凍食品、氨基酸等領域,產品銷至100餘個國家。2020年5月,味之素集團名列2020年福布斯全球企業2000強榜第1505位。

作為一家調味品、食品領域的企業,味之素是成功的,但同時也是典型的,發展路徑並沒有特殊之處。又是什麼讓公司口號為「Eat Well, Live Well」的味之素走上半導體材料這條「不務正業」之路呢?

味之素轉型:從味精廠到半導體細分材料龍頭

味之素集團在機緣巧合下發現,製作味精的類樹脂副產物具備極佳的絕緣性能,似乎具有成為半導體絕緣材料的潛質。1996年,味之素公司對此新材料進行技術立項,開始了一場「味精廠大冒險」。

晶片又名集成電路,顧名思義,就是將數以億計的晶體管集成於一塊小小的晶片之中,通過晶體管的關斷和開啟分別表示「0」和「1」,從而傳遞信號、傳輸數據,以實現複雜的指令。而在連接晶片內部納米級電路和晶片外部毫米級電路的時候,就必須考慮電路之間的干擾問題,使用絕緣材料進行封裝。而傳統的絕緣材料是液態的絕緣油墨,需要對電路表面進行噴塗、晾曬、乾燥,工藝非常複雜,並且由於噴塗均勻性、覆蓋率較難精準控制,絕緣效果並不理想。

在新型絕緣材料的開發上,味之素集團當時的開發負責人竹內孝治(Koji Takeuchi),他跳出油墨材料思維定式,認為薄膜材料才是未來的方向。但在當時的技術環境下,一直沒找到符合產業化的薄膜材料。

此時,團隊中一名叫做中村茂雄(Shigeo Nakamura)的年輕員工,選擇了一種需要深度冷凍的樹脂。這一樹脂竟然完美符合理想材料的各種特性。隨後,中村茂雄不斷地拜訪機器製造商,終於找到了適合的將絕緣樹脂薄膜層壓到基材上的機器。最終,團隊在短短四個月內就完成了原型與樣品開發。革命性的味之素ABF材料(Ajinomoto Build-Up Film),又稱「味之素堆積膜」,便從此誕生,將其用於晶片封裝,大大提升了產品良率。

然而,即使找到了理想的絕緣材料,味之素集團仍面臨更為嚴峻的市場關。在研發成功後的近三年時間內,團隊都沒有為ABF材料找到市場。究其原因,第一,當時半導體產業已經習慣液態油墨作為絕緣材料,對硬質的ABF材料一時間難以適應;第二,ABF材料面臨着強有力的競爭對手——由德國拜耳化學、日本三菱瓦斯化學共同研發的BT樹脂材料,兩家公司都是具有深厚技術積累的化學材料巨頭;第三,味之素,一家味精廠,賣賣味精還可以,突然來做半導體材料,似乎怎麼說也「名不正言不順」,沒有半導體公司為其背書,短時間內無法獲得業界信任,難以進入材料供應體系。在味之素後來拍攝的ABF研發紀錄片中有一個情節,在竹內孝治和中村茂雄帶着樣品拜訪客户時,門口的保安一聽說他們是味之素集團的,直接指着旁邊樓上的小餐廳對他們說,順着樓梯走就到了。市場的冷遇無疑給團隊帶來了巨大的挫敗感。

這時,英特爾(Intel),當時全球最大中央處理器製造商出現了。1999年,英特爾已經是一家市值超過5000億美元的巨無霸公司。同年,英特爾發布 Pentium Ⅲ 500MHz處理器,採用0.25微米工藝,CPU核心由950萬個晶體管組成。隨着計算機操作系統從DOS向Windows轉變,個人計算機終端需求越來越大,CPU製程越來越精密,絕緣油墨已經很難滿足精細電路的要求,英特爾為尋找理想的新絕緣材料而感到十分頭疼。

直到英特爾發現味之素ABF材料,才得以一緩燃眉之急,迅速與味之素建立了合作。從此,一家味精廠與全球最大的CPU廠商發生了奇妙的交集,創造了一個半導體產業的傳奇故事。至2021年,ABF材料已經取得了巨大的成功,而中村茂雄,也從基層員工成為了味之素精密技術公司的總裁,二十餘年光陰的一場豪賭,終於見到曙光。

ABF材料的推廣也並非暢通無阻,隨着21世紀智能手機與移動網路的浪潮到來,電腦出貨量不斷下降,而ABF材料適用於電腦使用的CPU,在早期智能手機之中沒有用武之地,價格也相對其他材料更為昂貴,不佔優勢。ABF材料又再次陷入低谷,前景渺茫。直到後來,AI、大數據、雲計算等技術使得高性能計算成為趨勢,CPU的晶體管密度越來越高,唯有ABF材料能跟上半導體先進製程的工藝進步,達到超細線路、超細線寬/線距的需求。此時ABF材料應用市場才重現曙光,直至今日,在計算機、智能手機、5G通信、自動駕駛汽車、雲計算、物聯網設備之中,ABF材料都是不可或缺的關鍵成分。

ABF材料推動了半導體產業發展進程

事實上,ABF材料對半導體產業的影響,遠不止於此。可以說,ABF材料直接引領了半導體先進封裝的進步。

晶片主要解決的是「計算」的問題,但要想接收運算指令、輸出運算數據,正常發揮功能,就需要與外部電路進行連接。所以,晶片是被安裝在印刷電路板(PCB)上的,PCB相當於晶片的底座,其上往往有幾塊甚至幾十塊晶片,PCB上也有密密麻麻的佈線,從而起到連接各個電子元件的作用。如果說一塊晶片是一個「城池」,那PCB上的佈線就是「城池」之間的「道路」。

但是,晶片怎麼與PCB之間建立連接呢?之前,晶片與PCB之間多使用「引線框架」連接,也就是簡單粗暴地使用金屬絲將晶片的引腳與PCB連起來。而現在,在晶片的先進封裝工藝裏,「封裝基板」的存在感越來越強。

封裝基板(Substrate)也叫做IC載板,相當於晶片與PCB之間的橋樑,將晶片與PCB互連所需的電氣結構全部封裝為一體。目前晶片的製程達到了5納米,而PCB的製程還處於毫米級,就像溪水東流入海還需要經過江河一樣,晶片到PCB也還需要封裝基板進行中間過渡。

而封裝基板的基材,正是用的ABF材料——通過對ABF板進行蝕刻、鍍銅等操作,形成一層又一層的導電圖形。使用ABF基材的封裝基板,最低可達到5/5微米的線寬/線距,可以說是「微雕」級別的水平了,實現再複雜的電氣結構都不在話下!ABF封裝基板基本上已經成了當今CPU、GPU等高端電子產品的指定「御用」材料和標準配置。從這個角度,ABF材料直接推動了半導體先進封裝的進步,也加速了晶片高複雜度、高集成化的演變趨勢。

ABF材料真能卡住全球半導體產業鏈脖子嗎?

據國內最大晶圓代工(可以理解為晶片製造)企業中芯國際的內部人士透露,「目前,ABF基板的訂單交付時間已經由原來的8周左右延長到超過30周。」也有產業鏈消息稱,自2020秋季起,全球最大晶圓代工企業台積電的ABF存貨就已不足,ABF材料缺貨可能會持續到2022年。

疫情影響疊加下游晶片需求突然增長,牛鞭效應使得供需緊張度在產業鏈上的傳導存在滯後。味之素並不能馬上擴產,ABF產能從立項規劃、產能爬坡到滿產狀態也至少需要一年以上時間。ABF材料的供不應求,確實一定程度上影響了晶片的出貨,尤其是高端硬件的出貨。

ABF材料真能卡住全球半導體產業鏈脖子嗎?先說結論,卡了,但沒有完全卡。

如果說「卡脖子」的定義是,缺貨就造成全球半導體產業鏈的癱瘓,那ABF材料並沒有如同阿斯麥公司(ASML)生產的光刻機一樣的魔力,因為畢竟還有BT樹脂、MIS樹脂等其他替代材料,其他的類ABF材料也有不少廠商在跟進研發之中。但是,不可否認的是,其他材料目前的性能、成本都無法與ABF材料匹敵,若ABF材料缺貨,短期內很難有一種材料能夠對其完美替代。

換句話說,如果味之素集團從此刻憑空消失,全球高端硬件的出貨數量與出貨質量也許會在5年或者更長的時間周期中受到不小的拖累。但是,倘若給其他公司足夠的時間、資金、人力進行研發,讓性能更優的ABF材料重新問世也並非不可預期的事情。

半導體與晶片,本質上就只是一種藴含着高技術含量的商品。可以說,任何一種核心材料、設備都可以從「商業壟斷」與「技術壟斷」兩方面進行分析。

「商業壟斷」角度:以味之素為例,味之素ABF材料在商業上形成了一種「自然壟斷」。最初,味之素用於技術研發、設備購買、產能建設的固定投入是非常之高的。由於規模效應,味之素ABF材料的生產邊際成本在一定範圍內是遞減的,也就是說,ABF材料下游訂單數量越大,越能攤薄味之素集團的固定投入,每多生產一單位ABF材料帶來的新增成本就越低。這樣一來,味之素也可以壓低其ABF材料的銷售價格,其他企業若貿然進入,必將承受高固定投入與長期持續虧損的壓力。此外,半導體材料供應多采取「供應商認證」制度,新材料的轉換成本高,驗證流程複雜,味之素多年積累維護的客户關係也是其地位牢固的原因。從而,不少企業都望而卻步,在投入產出核算的「經濟賬」的角度,味之素已經形成了「商業壟斷」。

「技術壟斷」角度:味之素對ABF 材料的研發已經持續了近30年,積累了數量龐大的專利,其他企業若想研發,只能從0到1、白手起家,再走一遍當年味之素走過的彎路。就算最終研發出來了,性能、質量也很難達到味之素ABF材料的水準。更為典型的「技術壟斷」例子,是晶片光刻機、航空發動機、操作系統、工業軟件等等,其背後的基礎理論複雜度、技術領先優勢、生產工藝難度都比ABF材料高了不止一個量級。而這些,才是我們更需要集中力量攻堅克難的領域。

從味之素研發ABF看中國半導體產業發展

味之素研發ABF材料的故事,充滿戲劇性和理想主義色彩。而我們對待ABF材料的態度,既不能以「外強敍事」的口吻進行神化,也不可輕視自大。從中也許可以得到中國半導體產業乃至硬科技產業發展的幾點啟示。

啟示1:

「商業壟斷」與「技術壟斷」並非完全割裂,而是存在着緊密聯繫,甚至可以互相轉換。最初,技術優勢可能會帶來成本/產品性能優勢,助力企業在市場上獲得競爭優勢,加速商業壟斷的形成。而商業壟斷給企業帶來的持續資金流入、客户反饋、商業生態,給了企業再研發、技術迭代升級的動力,經過時間積累,技術優勢最終形成技術壟斷。

啟示2

重視基礎研發與應用研究,啃硬骨頭。味之素集團從上世紀70年代就開始對環氧樹脂及複合材料進行基礎研究,厚積才能薄發,有了深厚的基礎研究積澱,才會有後來ABF材料的成功。雖說有機緣巧合的因素,但一家味精廠尚有如此擔當與遠見,着實讓人肅然起敬。萬丈高樓平地起,在硬科技領域,由最初基礎研發帶來的技術優勢,是後來所有輝煌商業故事的源頭。

啟示3

在國外已經形成技術壁壘的領域,正視國內外技術差距,知恥後勇。由於起步慢、底子薄、西方政治封鎖等因素,中國在半導體領域,尤其是設計軟件、材料、設備領域與國外差距較大。如何打破核心領域技術壁壘,是一件涉及資金、人才、時間的複雜系統工程。板凳要坐十年冷,要正視國內外技術差距,摒棄「造不如買、買不如租」的思維,做好幾代人持續接力追趕的準備。

啟示4

在國外尚未形成技術壁壘的新興領域,重點聚焦,彎道超車。在一些新興領域,國內外尚處於同一起跑線,甚至中國還具備後發優勢,這給予了中國趕超的契機。例如,中國有着全球最優質的通信環境和最發達的網路,這樣的沃土誕生了華為、中興等通信設備巨頭,也使得中國的通信技術、人工智能技術、雲計算技術走在世界前列。此外,技術路線的顛覆,也可能給予新進入者以機會,例如味之素ABF材料就是以固態薄膜替代液態油墨,而阿斯麥光刻機則以「浸潤式光刻」替代「乾式光刻」,新興技術路線有機會對傳統技術路線產生「降維打擊」。

啟示5

融入全球產業鏈與商業生態,實現融合式、嵌入式發展。全球產業鏈半導體已經發展到了極度複雜、精細分工的狀態。一個小小的晶片組件,可能就是一個微縮的「地球村」,晶片設計可能在美國、中國,晶片的硅晶圓片可能來自日本、韓國、德國、法國、芬蘭,晶片生產可能在中國台灣,光刻機來自荷蘭,光刻膠、濺射靶材來自日本。各國通力合作,你中有我,我中有你,像鏈條一樣環環相扣,任何一環的斷裂都會對整個產業鏈造成不可忽視的影響。換言之,任何一個掌握核心環節之一的國家,哪怕這個環節很小,也能夠擁有對整個產業鏈「一票否決」的話語權。

一個典型的例子就是日本,日本1990年在全球晶片市場的份額達到驚人的90%,而現在只有10%不到,在半導體領域的影響力似乎逐漸式微。但值得注意的是,日本目前佔全球半導體材料市場份額達52%,佔全球半導體設備市場份額達37%。在硅晶圓、光刻膠、鍵合引線、引線框架、模壓樹脂等半導體材料領域;在電子束描畫設備、塗布/顯影設備、清洗設備、氧化爐、減壓CVD設備、劃片機、探針器等半導體設備領域,日本企業都處於近乎壟斷的地位,有着極強的競爭力。每個細分領域,放在整個產業鏈之中看似乎是微不足道的,但「一招鮮,吃遍天」,整合起來就築牢了日本半導體大國、半導體「隱形冠軍」的根基。

現在,全球半導體產業向中國轉移,但中國企業在關鍵軟件、材料、設備的市佔率還不高。一方面,實現全面自主可控和國產替代雖「路漫漫其修遠」,但是是不可逆轉的潮流;另一方面,重視基礎研究、利用比較優勢、把握關鍵環節,在細分領域深耕、突破;同時,也需要認識到晶片本質是商品,積極融入全球半導體產業生態,實現融合式、嵌入式發展,提升自身話語權。

本文由《香港01》提供

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