semiconductor industry

1968 年,Robert Noyce 與 Gorden Moore 創立 Intel,並在 1971 年推出全球第一個微處理器,開啟半導體產業的商用時代。隨後,Intel 在內的美國半導體企業主導全球市場數十年。只不過到了現在,美國逐漸失去半導體產業優勢,取而代之的是 ARM、台積電、三星等企業。

「產業政策」是美國半導體產業發展的關鍵,促成 1970 年代的產業黃金期,度過 1980 年的日本挑戰,並在 1990 年代重回巔峰;然而,政策也讓美國半導體在 2000 年代失去競爭優勢。到了今日,美國科技界因為美國國內脆弱的半導體供應鏈所苦。美國產經智庫《Employ America》梳理過去 50 年來的半導體發展史,探討美國失去競爭優勢的原因,並提供產業發展的借鑑。

1940 到 1960 年代:半導體產業由國防主導

1940 年代末期,也就是美國半導體產業起步之時,美國政府用產業與科學政策培育半導體企業生態,並確保科學技術在商業上的可行性。美國國防部在當中扮演重要角色。當時,半導體主要用於軍事,國防部的訂單是半導體需求的保證,對企業來說,能確保投資的回收與報酬。

另外,國防部對半導體產業的技術發展有明確的方向,並直接促進企業與研究人員之間的對話與知識共享。同時,國防部與供應商簽訂「第二來源合約」( second source contract),要求晶片至少要由兩家公司生產,並要求大型研發部門公布技術細節與授權技術,讓所有與國防部簽約的公司獲得技術。

這種制度加快創新速度,政府採購協議確保投資效益,人才也能在整個系統中自由移動,讓知識能流動,促進公司間的發展。此外,國防部的主導能保持產業的一致性與針對性。

1970 年代:商用市場發展,美國半導體進入黃金期

然而隨著商業應用的發展,國防部的重要性逐漸降低。到了 1960 年代末期,軍方的採購量還不到市場整體的 25%。1970 年代,在商業應用的發展與國際競爭力道不強的市場環境下,美國半導體迎來黃金時期。

1970 年代,民營企業開始將電子產品納入供應鏈中,取代國防部,成為半導體產業的重要客戶。這也表明,在沒有政府支持與協調的狀況下,半導體產業依舊能蓬勃發展。技術改進變成工藝改進,工藝改進又推動新一步的技術改進;MOS 整合電路、微處理器、DRAM 等技術,將半導體產業推向新的高度。

此時,半導體開始成為商業領域的通用技術,市場需求增加,再加上國際競爭對手不強,確保美國半導體的發展。當時,大多數的半導體投資都能成功。

1980 年代:日本崛起,美國半導體優勢漸失

然而日本政府採取集中指導、採購協議、廉價融資的政策,成功扶植半導體產業,並取得出口優勢與國際市場地位,特別是在 DRAM 領域。到了 1980 年代,美國的半導體優勢逐漸被日本取代,許多企業退出 DRAM 市場。

因應日本挑戰,產業界開始建立組織來協調生產,並遊說政府建立關稅與貿易政策干預。另外,垂直一體化企業(IDM,Integrated Device Manufacturer)開始解體;MOS 電晶體開始主導市場,代工(foundry)模式隨之發展,而專注於設計的無晶圓廠(fabless)也因此誕生。無晶圓廠專注設計晶片,並不投資重資本的生產設備,因此靈活性提升,也降低成本。

1990 年代:科學政策主導,美國奪回半導體優勢

1990 年代,美國政府引入「科學政策」(Science Policy),作為支持半導體產業的新模式。隨著政策的調整,加上日本面臨韓國半導體廠的競爭,美國在 1990 年代逐漸奪回半導體的競爭優勢。科學政策的重點,是培養政府與各企業的合作關係、產業研發與學術研發的密切結合、研究分工,以及允許新創企業透過輕資產運行的產業結構。

回顧國防主導的時代,雖然當時的產業政策能加快創新速度,確保供應鏈能承受單一公司失敗的衝擊,但也造成大量的重複投資,造成資源浪費。「員工數」是關鍵。雖然大量人才是進步的關鍵,但過多則是浪費,若能縮減企業規模,將有助於降低成本,得以應對成本掛帥的國際市場,提升全球競爭力。

因此在 1990 年代,美國政府並沒有回歸產業政策,而是選擇低成本的科學政策。科學政策的目標在於,從建立一個強大生態系與供應鏈,轉變為建立公私機構來協調研究人員、無廠設計公司、設備供應商與大型公司間的交流,讓企業不需投入高昂的研發費用,也讓政府避免大量的投資支出。

這種結構沒有建立具有重疊供應鏈的生態系統,而是形成了一種分工,每家企業與機構都負責一個明顯可分割的單獨部分。同時,寬鬆的貿易政策與密切的貿易網路,讓企業能更經濟的進入無工廠模式,發展輕資產戰略。

這個戰略「短期上」成功了,到了 1990 年代末期,美國重新獲得半導體技術優勢。多數企業將研發工作集中於生產工藝的下一兩個節點,而較遠的研究則由政府資助的學術單位負責,接著再由產業界將學術研究轉為商用,消除研發與生產的重複成本。然而,這會削弱企業的創新能力,大型研究實驗室也逐漸空洞化,只針對少數核心企業的需求研究,供應鏈也更加狹隘。

2000 年代:科學政策的脆弱性浮現

其實,員工與資本的冗餘有助於公司將流程改進內部化,同時也培訓下一代的工程師與技術專家。雖然從財報來看是浪費,但長期而言,這有助於企業的創新。雖然科學政策能消除冗餘,但也增加產業的脆弱性。

勞動力成本最小化,使得工程師與技術專家人數縮水;產能投資不足,則阻礙美國企業應對晶片短缺的能力。長期研究集中在學術實驗室、大型企業(例如 Intel)與輕資產的無工廠公司,形成一個脆弱的生態系統。美國逐漸失去設計與製造的優勢,被台積電等企業取代。

2010 年代:美國半導體製造高度依賴海外代工廠

另外,從研發到生產的過程,也出現不一致的回饋。科學政策的關鍵,是將知識產權的創新與生產過程的創新分開;也就是說,科學政策優先考慮研究、設計與創意,而不是實施、生產與投資。因此,專注於設計的無工廠公司興起,並將製造外包給海外的代工廠。

但這種作法反而會降低創新速度,因為「做中學」是技術創新的關鍵。工程師會在生產過程中的每一步,以及供應鏈的每個環節尋求創新,將生產外包給代工廠,就會產生工藝上的「黑盒子」。另外,學術研究往往遠離當下的製造問題,因此時常偏離商業化的道路,無法驅動產業的創新。

因此,目前美國半導體產業高度依賴海外製造廠。雖然美國政府極力邀約台積電赴美設廠,但這只是買下解決問題的方法,並沒有降低對單一供應商的依賴。《Employ America》建議,美國政府應該在供應鏈的每個環節推動創新,重新取得技術優勢。

總結:美國忽略「製造」的重要性

總結來說,「產業政策」左右美國半導體產業的發展。1940 到 1960 年代的產業政策,讓小公司試驗前端技術,而大公司追求工藝改進,擴大創新技術的規模。政府的需求確保經濟上的可行性,而第二來源合約則讓公司間共享技術,共同發展。這種產業政策鼓勵創新,確保小企業能在國內大規模生產創新設計,也允許大企業從大規模生產這些創新設計中獲利。

隨著產業的成熟和競爭環境的變化,政策框架也發生了變化。自 1970 年代以來,產業政策逐步被輕資產的「科學政策」所取代,而大型企業與輕資產的無廠半導體公司則取代以生產為中心的,由大小企業組成的生態系統。雖然此戰略在初期成功,卻也產生了一個脆弱的體系。今天,美國半導體業一方面受制於脆弱的供應鏈,一方面受制於無廠半導體公司,無法產生或獲得工藝製程的改進。

1990 年代,美國半導體產業因為科學政策而重獲主導地位,但也是科學政策,讓美國的技術和商業優勢更加脆弱。隨著台積電等企業崛起,美國失去了技術優勢,並面臨供應瓶頸。

科學政策能推進技術進步,但偏重於新思想的發展,而不是將技術轉往資本。製程技術的創新是一種「實踐」的過程,需要不斷建立與營運新的生產線。但在美國的低資本環境中,半導體產業很難「做中學」,因此逐漸失去競爭優勢,被三星、台積電等企業取代。

參考資料

Employ America

(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:Pixabay CC Licensed

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