美国20世纪90年代半导体芯片技术产业复兴的经验分析

2020-06-23王超

网络空间安全 2020年3期

摘要：20世纪80和90年代，面对半导体芯片生产技术、产品质量、市场份额被日本全面赶超的困境，美国通过调整半导体芯片产业发展方向、实施SEMATECH计划、加强对日贸易限制、加强政企协同创新等措施，迅速实现了半导体芯片技术产业对日全方位反超。文章重点分析了美国半导体芯片技术产业复兴的体制机制、组织模式、政策措施方面的经验，以期为我国突破半导体芯片等领域的关键核心技术，提供参考和借鉴。

关键词：半导体芯片技术;体制机制;组织模式;政策措施

中图分类号： TN301 文献标识码：A

Abstract： In the 1980s-1990s， facing the dilemma of semiconductor chip production technology， product quality and market share being overtaken by Japan in an all-round way， the U.S. quickly achieved a comprehensive overtaking of the semiconductor chip technology industry against Japan by adjusting the development direction of semiconductor chip industry， implementing the SEMATECH plan， strengthening trade restrictions on Japan， and strengthening the collaborative innovation between government and enterprises. This paper focuses on the analysis of the institutional mechanism， organizational model and policy measures of the revival of the semiconductor chip technology industry in the United States， in order to provide reference for China to break through the key core technology in the field of semiconductor chips.

Key words： semiconductor chip technology; institutional mechanism; organizational model; policy measures

1 引言

当前，美国对我国技术封锁力度的持续加大，对我国产业升级产生较大的负面影响，“华为”“中兴”事件再次凸显了我国电子信息产业发展长期存在的“缺芯少魂” 问题。高端通用芯片等关键领域的核心技术受制于人，已成为影响我国经济高质量发展和国家安全的最大隐患。

美国等世界科技发达国家在突破“卡脖子”关键核心技术上有很多成功经验和做法值得参考和借鉴。例如，在20世纪80年代，日本芯片产业尤其是DRAM技术产业崛起，使得日本芯片企业在生产技术、产品质量等方面实现了对美国的赶超。对此，美国坚持芯片设计、制造技术自主创新，通过调整半导体芯片产业发展方向、实施SEMATECH计划、加强对日贸易限制、加强政企协同创新等措施，实现了半导体芯片技术创新突破，产业规模对日全反超。美国半导体芯片技术产业复兴的体制机制、组织模式、政策措施方面的经验，对我国突破半导体芯片等领域的关键核心技术，具有重大的理论借鉴意义和实践参考价值。

2 美国半导体技术产业复兴的背景

美国是半导体技术的发源地，在世界大战期间，美国安全繁荣的本土成为了众多科学家的福地，处在战乱区的科技人才纷纷前往美国，为美国的芯片发展积累了雄厚的技术储备力量。

在20世纪40年代，世界大战中美国对电子和材料的研发投入催生了半导体技术，国防、宇航领域的大量政府采购占早期半导体市场的最大份额。

從20世纪70年代开始，计算机的发展开辟了半导体的一个重要应用领域，计算机内存和中央处理器成为重要的半导体产品。凭借着强大的经济和技术基础，直到20世纪80年代，美国始终引领全球芯片技术产业的发展方向，占据世界芯片市场超60%的份额。20世纪80年代，日本芯片产业尤其是DRAM技术产业的逐渐崛起，1986年日本全球市场规模达到44%，反超美国4个百分点。在半导体设备市场方面，1990年，日本市场规模占比达到48%，反超美国3个百分点。

日本在动态随机存储器（DRAM）、静态随机存储器（SRAM）、双极电路、通用逻辑电路、存储元件、光电子、砷化镓以及硅材料等技术上都开始领先美国。美国仅在微处理器、专用逻辑电路以及线性电路上保持领先地位。半导体技术尤其是芯片技术竞争的战败使得美国痛定思痛，下定决心转变产业发展思路，下大力气发展通用集成电路的大规模制造技术，寻求芯片领域新的技术突破，重夺市场领军地位。

3 出台促进半导体芯片技术创新的政策措施

3.1实施SEMATECH计划，重点弥补美国芯片设计、制造工艺短板

为了提高美国在大规模、超大规模集成电路制造技术上的竞争力，重新夺回美国在芯片设计、制造工艺上的技术优势，借鉴日本组织大规模集成电路技术合作研究的经验，1987年，美国国防科学委员会（DSB）和美国半导体协会（SIA）共同牵头成立了美国“半导体制造技术研究联合体”（Semiconductor Manufacturing Technology Research Consortium，SEMATECH），启动了SEMATECH计划，专注于金属板印刷技术、蚀刻等芯片制造工艺和设备，通过减少重复投资提高了美国企业的生产率，并在降低分散研究之间的交易成本、培育产品制造企业和设备供应商之间的协作关系上发挥了重要作用，促进了工艺材料的开发、制造设备的开发以及与芯片制造工艺的集成，改善了企业无主攻方向的问题，并极大地提升了芯片制造能力与材料研发进程。

通过SEMATECH计划，美国芯片制造设备得到改进，可靠性大为提高，使用美国芯片制造设备的成品率也不断提高。1992年，美国的应用材料公司（Applied Materials）成为全球半导体设备市场上的龙头老大;1995年，美国企业使用美国制造的半导体设备，制造出0.35微米线宽的电路，实现对日本的技术赶超;1996年，美国生产了世界上第一个12英寸的晶圆，至此美国重新夺回芯片技术产业的全球领军地位。

3.2调整产业战略方向，聚焦微处理器等高附加值产品

鉴于DRAM芯片技术被日本赶超、韩国亦强势崛起的现实，美国于1989年底组建了“国家半导体咨询委员会”，从国家层面实现了半导体产业的战略转型，放弃了竞争激烈DRAM芯片领域，重点发展芯片设计、制造技术，提供微组件及LOGIC等附加价值高、技术创新性强的半导体芯片产品。通过实施SEMATECH计划，实现芯片设计、制造技术赶超后，美国于1992年实施高性能信息和通信（High Performance Computing and Communication）计划，即信息高速公路计划，旨在建立覆盖整个美国的宽带高速信息网络、完善美国信息服务网络。信息高速公路计划的实施使得美国对信息设备的需求明显提升，美国以家用电脑和光纤通信为核心的信息技术产业快速发展，带动了计算机中央处理器、模拟器件和存储器产品市场的快速发展，美国半导体芯片产品在民用市场大规模应用，美国在全球半导体芯片市场的绝对主导地位再难撼动。

3.3放松对芯片领域合作创新的反垄断管制，促进芯片企业联合创新与合资并购

在1984年以前，美国对企业之间的合作研发行为规定了严格的反垄断条款，以防止企业在合作中达成限制竞争的垄断性协议。随着美国在半导体芯片领域遭遇日本的强力挑战，美国国会和司法部开始倡议放松美国反垄断法而允许美国企业开展更大范围的研发联合体，促进美国半导体芯片企业的合资合作。

1984年，美国国会制定实施了《国家合作研究法》（NCRA），逐渐为美国企业在芯片等竞争前技术方面的合作研发（包括研发联合体）活动松绑，为美国半导体芯片等高新技术企业进行联合研发提供了法律保障，为SEMATECH计划的实施奠定了法律基础。《国家合作研究法》的修正案《国家合作研究与生产法》放松了对合作生产的管制，有利于合作企业共同将合作研究的成果进行商业化。在美国政府的引导下，美国半导体芯片领域掀起合作研发热潮，1987年实施的SEMATECH计划，实现了美国芯片设计、制造工艺等多项技术的赶超。

与此同时，美国半导体行业协会（SIA）持续倡议推进美国半导体企业间的合资生产和并购，以达到合资企业技术协同和强强联合的目的。1989-1999年，美国半导体芯片相关产业（包括半导体、存储器和微组件）共发生并购198起，投资成立合资项目364个，半导体企业的规模也不断扩大。

3.4 对日采取多项贸易限制措施，为半导体芯片产业创造良好的外部环境

为了保护美国半导体企业，美国政府对日本采取了多项贸易限制措施，营造良好的芯片技术产业发展外部环境。1985年9月，美国半导体协会以日本半导体产品倾销为由要求美国联邦政府机构启动“301”调查。10月，美国商务部制定了一项法案，指控日本公司倾销256K DRAM和1M DRAM。1986年初，美国国际贸易委员会裁决，对日本半导体产品提高进口关税并征收反倾销税。9月，美国和日本签订第一次《美日半导体协议》，美国以停止对日本企业的反倾销诉讼为条件，要求日本在电器、通信设备、电子计算机等领域放宽市场准入，增加从美国进口半导体产品;要求日本加强政府对出口半导体价格的监督机制以防止对美国及第三国的倾销;要求日本强化对美国企业的知识产权保护。与此同时，美国加强了对日本企业收购美国企业项目的审查力度，强化了对违反技术出口限制企业的惩罚措施，以防止与国防安全相关的生产技术泄露。

美国的制裁没能立刻遏制日本的技术优势，协议过后，日本全球市场份额与DRAM市场份额变动不大，依旧处于美国之上。1987年3月，美國政府以日本未能遵守协议为由，就微机等日本有关产品采取了征收100%进口关税的报复性措施。1991年6月，日美更新了5年期的半导体协议，明确提出了美国半导体产品在日本市场占有率由10%放宽到20%，促进日本实现市场开放。在日美半导体协议的约束下，日本国内的半导体芯片市场不断被美等国外企业蚕食。数据显示，1996年非日本企业半导体产品在日本市场份额升至30%，其中75%来自美国。

3.5加强政府采购与放宽出口限制并重，维护并扩大美国芯片市场

20世纪90年代初期，正值美国芯片设计、制造技术实现对日反超的关键时期，美国通过政府采购、支持出口等方式，不断扩大芯片技术产品的市场需求。一方面，美国政府加强政府采购，促进政府在半导体芯片等高科技领域投资，仅计算机及其相关产品的政府采购就高达90亿美元，极大地激励了半导体芯片企业的研发创新活动。另一方面，美国政府逐步放宽了对半导体芯片等高科技产品的出口管制，允许在不危及国家安全的前提下，利用多元化的手段促进半导体产品的出口。1993年，美国政府公布了“国家出口战略”，包括半导体、电脑、通讯等在内的六大产业被列为国家重点出口产业，扩大美国企业出口，强化美国企业的外部竞争能力。战略的出台实施，对于美国加快芯片出口，并逐步实现对全球信息技术生态的垄断起到巨大推动作用。

4 优化半导体芯片技术创新的组织模式

4.1构建政府牵头、企业主导的政企协同创新组织模式

政府牵头打造的以IBM、TI、HP等13家美国企业为核心的SEMATECH，是美国弥补美国芯片设计、制造工艺短板，实现对日技术赶超的重要技术载体。SEMATECH是美国芯片制造企业与政府协同创新的产物，纠正了美国半导体行业过去“各自为政”的倾向，对于美国芯片技术创新组织模式的变革具有特殊的意义。

SEMATECH的组织模式具有四个特点。

一是政府牵头成立，政企均摊成本。1987年，美国防部拨款1亿美元，引导IBM、AT&T、英特尔、摩托罗拉、德州仪器等10余家半导体领军企业出资1亿美元（每家企业几百万到上千万美元不等），共同投资设立了SEMATECH，并确立了由美国防部、成员企业均摊每年2亿美元研发经费的财政支持方式。从1987-1992年，SEMATECH花费了3.7亿美元（全部预算的37%），用于半导体设备改进与设备供应相关的外部研发项目支出。

二是由业内专家负责管理和研究。SEMATECH由一个中心管理机构来管理，研究人员来自各成员公司，管理人员全部来自企业界，首任董事长由Intel公司的创始人R. Noyce担任。来自企业界的管理人员对企业的现状和问题了如指掌，可针对芯片制造中的关键问题制定出切实可行的方案。美国国防部高级研究计划局（DARPA）与相关企业一道推动半导体技术的研究、开发和推广等。

三是注重芯片制造商与设备制造商的合作。SEMATECH成立的核心目标在于加强芯片制造厂商与半导体设备厂商之间的合作，共同开展工艺材料的开发、制造设备的开发、集成芯片制造工艺等。SEMATECH与半导体设备厂商的合作方式包括委托开发新设备、改进现有设备、制定技术发展路线等，其中最重要的是开发半导体制造设备，占据SEMATECH总预算的60%。在联合研究过程中，设备制造商在设计、生产设备时更多考虑客户的需求，联合芯片制造厂商加强工艺过程的规范性，共同解决设备的质量问题、工艺问题等，明显地提高了设备的可靠性。得益于制造设备的改进和工艺过程的规范，芯片制造厂商的芯片成品率也不断提高。

四是减少重复投资，兼顾知识产权保护和共享。一方面，SEMATECH负责购买、测试半导体制造设备，将技术知识传播给其成员企业，通过统一购买和测试，可以减少企业重复开发、检验新的工具，从而降低设备开发及引进的成本。另一方面，SEMATECH集中于基础研究，从不参与某一具体产品的设计与制造，也不为某一具体产品去做专门的工艺研究，支持各企业公平竞争，对合作研究的成果做进一步开发后，才能真正将研究成果应用到自己企业，这不仅使得成员企业技术受益，也减少了在应用研究成果时，可能产生的知识产权保护问题。与此同时，SEMATECH还促进研究成果的开放共享，修改了“研究成果只有在成员企业独占2年之后才可以向其他非成员企业转让”的规定，明确付出一定的转让费或专利使用费后可向所有美国企业开放。

4.2 打造衔接半导体芯片基础和应用研究的校企协同创新组织模式

为加强半导体研发和美国大学半导体的课程教学，美国半导体协会于1982年成立了半导体研究联盟（SRC）。SRC由65家美国和加拿大的公司和政府机构组成，成员包括半导体芯片制造商、用户、半导体材料和设备供应商，每年投资3000万美元资助美国大学中有关半导体芯片的研究项目。SEMATECH计划实施期间，SRC 三分之一的研究经费由SEMATECH提供。正是由于SRC资助的美国大学重点开展了半导体芯片基础技术研究，SEMATECH企业才能在此基础上重点开展应用技术研究。

5 改革半导体芯片技术创新的体制机制

5.1设立国家级专业咨询委员会，协助调整半导体芯片领域技术产业发展方向

1989年底，美国优化科技创新管理架构，组建了“国家半导体咨询委员会”，确立了“集中攻关通用集成电路的大规模制造技术，重点发展微组件及LOGIC等附加价值高、技术创新性强的半导体芯片产品”的发展思路，在国家层面实现了半导体产业的战略转型。1992年，美国政府以总统令形式，设立了“国家信息基础设施实施咨询委员会”和“信息基础执行工作队”，确保了美信息高速公路计划顺利实施，最终带动了计算机中央处理器、模拟器件和存储器产品市场的快速发展。

5.2 构建政产学研协同创新机制，促进半导体芯片领域技术创新和成果转化

1984年以前，美国严格限制企业间的合作研发行为，严重阻碍了美国在半导体芯片等新兴领域的技术创新。随着《国家合作研究法》《国家合作研究与生产法》的出台实施，美国企业开展半导体芯片等竞争前技术的联合研发、生产，不形成“托拉斯”垄断。《杜拜法案》《联邦技术转移法》《国家竞争力技术转让法》等法案的出台，使得政府资助的科研项目产生的专利权能够被私人部门所享有，为推动半导体芯片等创新技术成果由学术界向产业界转移，实现成果产业化奠定了法律基础。

1987年，为集中攻关通用集成电路的大规模制造技术，美国政府组织成立了半导体制造技术研究联合体SEMATECH，由美国国防部和成员企业均摊研发经费，美国国防部高级研究计划局与相关企业共同推动半导体技术的研究、开发和推广。在研发过程中，SEMATECH经费资助的美国大学重点研究半导体芯片领域基础技术研究，SEMATECH成员企业重点聚焦工艺材料的开发、制造设备的开发、集成芯片制造工艺等应用技术。随着SEMATECH计划的实施，美国在半导体芯片领域，逐步形成了政府、国家研究机构、高校、民营研究机构和企业联合开发的协同创新机制，半导体芯片技术由高校和研究機构向产业转移，形成商业化、产业化创新成果的机制不断成熟完善，这在美国半导体芯片技术实现对日赶超，并持续引领全球技术方面发挥了突出作用。

5.3 建立体系化的科技创新金融市场机制，为半导体芯片产业发展提供资金支持

早在20世纪40年代，美国就开始成立风险投资，向科技企业提供融资。之后数十年间，美国通过出台《小企业投资法案》《公平信贷机会法》《小企业创新发展法》《国内税收法》等系列法规，从财政、税收等方面对创业企业和投资者提供更多的优惠，鼓励个人、机构加大对创业企业的支持力度，逐步建立了一整套支持创新的天使投资、风险投资、垃圾债券、股票市场市场等科技创新市场金融机制。

美国通过垃圾债券和天使投资的方式，对半导体芯片等领域的高科技行业的初创企业进行投资，使其产品创新和应用得以顺利实现。其中，垃圾债券主要用于初期起步阶段所需要的资金规模就非常巨大的创新活动，如芯片企业的芯片生产线等，Intel公司最初就利用了垃圾债券方式获得初期发展所需要的资金。美国创业企业资金投入与退出机制非常完善，风险投资的退出主要以IPO为主，天使投资是以被收购为主。完善的科技创新金融市场机制，使得美国成为全球风险投资最活跃的地区，有力地保障了美国半导体产业领域的新技术、新成果迅速完成产业化转换，为美国半导体芯片技术产业创新发展，以及20世纪80和90年代实现对日本技术反超，提供了巨大助力。

5.4 完善外资监管审查机制，防止美半导体芯片领域关键核心技术外流

美国的外资监管制度始于20世纪70年代，当时欧佩克（OPEC）国家大量投资美国，引发美国内对外国政府操纵的旨在攻击美国经济的政治行动的担忧。对此，美国先后于1974年和1976年出台《外国投资研究法》《国际投资调查法》，并以11858号行政令的方式设立了美国外资投资委员会（CFIUS）这一跨部门机构，专门负责外资监管。但在设立初期，CFIUS的审查和批准功能并不明显，实际功能在于调查和分析。

20世纪80年代以后，日本在半导体、制造等领域的强势崛起，大量日本资金涌入美国市场，形成了“购买美国”狂潮。1986年，日本富士通计划收购美国军用电脑芯片供应商仙通半导体。彼时，仙童公司的半导体芯片产品可以用于美国航空、导弹导航系统、战略防御研究、加密与解密超级计算机等。一旦并购计划通过，日本企业将控制美国最重要的军用计算机芯片制造企业，不仅使美国防工业更加依赖外国供应商，半导体芯片的诸多关键核心技术也会被国外掌控。鉴于此，美国于1988年出台《埃克森·弗洛里奥修正案》，授权美国总统中止或禁止任何威胁美国国家安全的外国收购、并购或接管从事州际贸易的美国公司的行为。美国12661号行政令则授予CFIUS具体的审查权限。1992年《伯德修正案》出台，将具有外国政府背景的外国企业纳入CFIUS审查范围。至此，美国外资监管审查机制得到进一步强化和完善。

6 结束语

核心技术是国之利器，关乎国家安全和长远利益。本文重点分析了美国20世纪90年代半导体芯片技术产业复兴的典型案例，从体制机制、组织模式、政策措施方面，总结了具体经验，以期对我国突破半导体芯片等领域的关键核心技术提供了参考和借鉴。

基金项目：

国家自然科学基金（项目编号：71941021）。

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