日美「半導體戰爭」後，日本半導體產業的實力遭到嚴重削弱。進入21世紀，面對半導體產業結構的巨大變化和半導體產品市場的深刻調整，日本順勢而為，推動產業結構改革，開拓新興技術領域，大力培育半導體產業發展新優勢。
隨着日本半導體產業日益趕超美國，20世紀70—80年代爆發了日美半導體摩擦，異常激烈且曠日持久，被稱為「半導體戰爭」。美國試圖通過貿易戰迫使日本開放市場和讓渡經濟利益，從戰略上遏制日本對美國的技術追趕，「從貿易戰的議題，到時間，到方式，全都由美國確定。美國還利用市場武器，大量培植對手的對手：在90年代中後期，韓國和台灣地區的芯片和電子產品開始大規模湧進美國和世界市場，對日本構成全面挑戰」。
日本半導體產業的崛起是以主要用於大型計算機的DRAM為切入口的，進入20世紀90年代，個人計算機(PC)取代大型計算機成為計算機市場上的主導產品，個人計算機對DRAM的要求與大型機有所不同，重點是價格低，對質量和可靠性要求不太高，而日本半導體企業卻仍然執着於高質量、高可靠性，加之勞動力成本也比較高，結果喪失了競爭優勢，被韓國、台灣地區生產的低價DRAM奪走了市場，1998 年韓國取代日本成為 DRAM 第一生產大國。而且，早在1993年，美國就已經在技術含量更高的微處理器領域奪得對日壓倒性優勢，在半導體市場占有率方面反超日本而重新奪魁。
同時，全球IC產業結構也發生了重大變化。20世紀60年代開始興起的IC產業，一直都採用「垂直整合」(IDM)模式，從芯片設計、製造到封裝測試的各個環節都在企業內部完成。隨着微細加工技術的進步，芯片製造成本日益提高，芯片產業的「燒錢」特性日趨突出，越來越多的企業感到包攬IC生產全過程的資金負擔太重，從而逐漸向「垂直分工」模式發展。1987年創立的台灣積體電路公司(簡稱「台積電」)開創了晶圓「代工」(foundry)新模式，即從芯片設計企業接單專做製造。「代工」模式出現後，IC產業分化為四類企業：(1)傳統的IDM企業，即從芯片設計、製造到封裝測試「一條龍全包」。
如英特爾(Intel)、三星就是典型的IDM企業，它們規模大、技術全面、資金雄厚，甚至還有自己的下游整機環節。(2)只做設計的企業，沒有工廠(fabless)。這些企業往往不僅從事芯片設計和開發，還親自推銷，全球頂尖的設計企業多為美英企業，如英國的ARM、美國的高通等。(3)代工企業，即只從事生產、不做設計，按照設計企業設計的集成電路圖形，在晶圓上製造集成電路芯片。其代表性企業有台積電(2017年全球市場份額占比高達55.9%)、美國的格羅方德、中芯國際、台聯電等。(4)封裝測試企業，即將晶圓上的幾百塊小芯片切分開，給每塊芯片連接導線，封裝外殼，進行測試。這種垂直分工模式提升了「重設備投資」的代工企業的生產效率，降低了「輕設備投資」的設計企業和封裝測試企業的准入門檻和運營成本，從而推升了整個IC產業的運作效率，加快了芯片技術的發展。對於多數IC企業來說，垂直分工模式是發展的必由之路。
進入21世紀，因為日美「半導體戰爭」實力遭到嚴重削弱的日本半導體產業，既面臨半導體產業結構的巨大變化，又遇到半導體產品市場的深刻調整，諸如智能手機市場迅速擴大。這兩大變化使得長期以來在產業結構上以「垂直整合」模式為主、在產品上以DRAM取勝的日本半導體產業疲於應對，輸掉了手機芯片、電腦芯片等具有海量市場(可依靠極大產量分攤芯片研製和生產成本)的高端通用芯片的國際競爭力，導致日本半導體產業在世界市場上的占有率一路下滑，失去了持續多年的相對優勢，外界甚至評價稱「日本半導體產業在世界上不再重要」。
面對前所未有的困境，日本半導體企業與政府相關部門配合，努力推進大規模結構性改革，以圖挽回頹勢。2001年，日本政府開啟了三個大型「產官學」項目——「MIRAI」、「ASUKA」和「HALCA」，其中「MIRAI」項目由日本經濟產業省投資300億日元，由25家企業的研究所和20所大學的研究室參與共同研究；「ASUKA」項目由 NEC、日立、東芝等 13 家半導體企業共同出資700億日元，主要研製電路線寬為 65 納米的IC芯片；「HALCA」項目除進行實用化製造技術的研究外，還進一步研究高速度、節省能源等技術。這些舉措對於提升日本半導體產業的競爭力具有一定的效果。
(一)日本半導體產業推行結構性改革的代表性案例
1.2003年，由日立和三菱電機兩家公司所屬半導體部門合併成立瑞薩公司，2010年NEC又加入進來，成立了新瑞薩公司。該公司已在自動駕駛系統(ADAS)或自動駕駛汽車使用的微控制器(MCU)的世界市場上奪得主導地位，成為汽車用芯片、無線網絡芯片、消費與工業製造嵌入式半導體芯片的全球領先供應商。2011年，瑞薩在全球MCU芯片市場中的占比達33%，排名第一，荷蘭恩智浦公司和美國飛思卡爾公司排名第二和第三。2016年，恩智浦與飛思卡爾合併，瑞薩退居第二，占比降至16%。但是，2018年瑞薩公司又推出了28納米線寬的首款閃存汽車MCU樣品，可望進一步增強其MCU產品的全球競爭力。
2.索尼公司通過剝離弱勢業務，聚集優質資源開發CMOS圖像傳感器。2012年，索尼開發的全球首款「堆疊式結構」系統能將兩塊芯片疊在一起，一塊捕捉圖像像素，一塊是傳感器電路。2015年，索尼在攝影與智能手機用的高像素芯片領域拿下全球35%的市場份額。2018年，索尼開發的新傳感器將靈敏度提高到1200萬像素水平，可獲得更明亮、更低噪聲的圖像。鑑於索尼在CMOS傳感器方面長期積累的技術優勢，目前主流智能手機大多採用索尼的CMOS傳感器，而且CMOS傳感器的應用範圍早已不局限於智能終端，開始向汽車、醫療、工業以及安保監控攝像等領域延伸。
3.2011年東芝在公司內部徹底改革「全能式」產業結構，着力開發高附加值的特色產品。早在1984年，東芝就發明了NAND閃存，這是一種比硬盤功耗更低、重量更輕、性能更佳的非易失性(斷電後仍能保存數據)存儲器。作為NAND閃存的創始者，東芝的IC部門將大部分精力都花在NAND領域。但隨着三星電子等企業崛起(2015年三星電子在NAND閃存市場上以33.6%稱雄，而東芝僅占18.6%)，為了在NAND閃存領域再度實現突破，東芝大力開發可進一步擴充存儲容量、加快處理速度的64層NAND閃存，並希望提前投產64層技術，以實現半導體業務的下一輪高增長。東芝的另一種特色產品是發光二極管(LED)和號稱「第三代半導體」的氮化鎵(GaN，一種化合物半導體)，特別是氮化鎵芯片，其重要性近年來引起普遍關注，一片直徑約 5 厘米的氮化鎵芯片的售價可達5000—7000美元，還供不應求，加上國際貿易中的技術壁壘，甚至出現了一片難求的情況。
值得注意的是，軍事和太空應用以及電力電子系統等要求半導體器件具有較強的空間輻射耐受能力，在放射性環境中具有更高穩定性，這恰恰是具有高速高效特徵的氮化鎵器件的優點。這意味着，一直以來用於汽車電信、消費電子和醫療等行業的氮化鎵器件可能在軍事和太空等重要領域拓展應用範圍。據預測，全球氮化鎵器件的市場價值將從2017年的7.7億美元增至2023年的18.4億美元，複合年增長率為17.1%，而亞太地區將成為增長最快的氮化鎵器件市場。此外，東芝還推出了一款新型光電耦合器芯片，可用於電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)的高速通信。
4.2015年富士通和松下兩家公司的系統級芯片(或稱「芯片上系統」，「system on a chip」，SoC)部門合併成立索喜(Socionext)公司，該公司提供以系統級芯片為中心的半導體產品和服務，並在視頻圖像領域和光纖通信網絡領域具有競爭優勢。該公司開發的360度全景成像系統「OMNIVIEW」可為汽車駕駛員提供視覺輔助，將安裝在車輛四個方向的攝影機圖像在三維模型上合成，不僅可協助停車，還支持行車中的周圍環境監控。
事實上，致力於結構性改革的多家日本半導體企業相繼進行事業拆分和重組，退出技術含量不高的DRAM競爭，而集中開發系統級芯片等高附加值的專用技術產品。由於放棄市場巨大的通用性產品DRAM，日本半導體產業在全球半導體市場中所占份額顯著降低，而系統級芯片雖然專用性強，但短期內市場規模不大，對提高日本半導體產業在全球市場上的地位不會很快產生作用。日本半導體產業看似進入衰退期，在全球半導體企業排行榜中名列前茅的日本企業越來越少(2017年「全球半導體十強」中的日本企業只有東芝一家)。但值得注意的是，系統級芯片不乏在今後5—10年成為半導體產業新增長點的可能性，因而相關研究具有「彎道超車」繼續趕超美國、打造日本下一代半導體產業模式的意義。
(二)日本半導體產業的新技術優勢
通過多年的產業結構性改革，加上既有的技術積累，日本半導體產業借力人工智能技術，正在多個領域奪取世界領先優勢，並在半導體材料領域長期保有競爭優勢。
據統計，在2017年全球芯片市場中，銷量排名第一位的是手機芯片，占比為25%，之後依次為個人電腦芯片(19%)、汽車用芯片(7.8%)、物聯網芯片(5.8%)等；2018年，手機芯片銷售額將可能比2017年增長8%，個人電腦芯片銷售額將可能增長5%，汽車用芯片銷售額將可能增長16%，物聯網相關芯片銷售額將可能增長16%。
依此數據進行趨勢預測可以發現，在今後的5—10年間，銷量最大的很可能依然是手機芯片等，而複合增長率更高的將是汽車用芯片、物聯網相關芯片等。在目前和今後的全球芯片市場中存在兩類芯片，一類是在當前市場占有率高、今後增長率不高的芯片(如個人電腦芯片的複合增長率只有5%)，一類是在當前市場占有率不高、在未來5—10年複合增長率高的芯片(如汽車用芯片和物聯網相關芯片)。
考慮到2020年以後可能出現4G手機升級為5G手機的一個漸進過程，同時汽車自動化可能不斷進展，物聯網在各個行業的滲透率將不斷提高，可以預計：2019—2020年以後，全球芯片產業可能出現三個重大增長點：5G手機芯片、汽車自動化芯片和物聯網相關芯片。而日本的半導體產業，雖然在「當前市場占有率高」的手機芯片、個人電腦芯片領域呈頹勢，但在「當前市場占有率不高而今後增長率高」的汽車用芯片、物聯網相關芯片的技術開發與商品化方面已經取得了令人矚目的進展。
1.用於自動駕駛系統和自動駕駛汽車的芯片
自動駕駛汽車可理解為一個逐步升級直至實現完全無須人類駕駛員干預的「無人汽車」的「過程」，是一種依靠雷達、激光、全球定位系統、測距儀和計算機視覺來感知和檢測周圍環境，逐級減少人力操作直到「零操作」的機動車輛。日本是汽車產量僅次於中國的全球第二大汽車生產國(2017年)，日本半導體企業預計自動駕駛汽車是下一個可望引領半導體產業發展的新興應用領域。
從瑞薩、東芝、索尼、索喜等企業的動向可以看出，自2015年日本半導體產業非常關注汽車產業對芯片的需求，以期維持未來增長。預計在21世紀20年代，自動駕駛系統乃至自動駕駛汽車的發展和普及將引發對「汽車芯片」的旺盛需求，而在MCU、CMOS傳感器等「汽車芯片」技術領域日益確立優勢地位的瑞薩等日本半導體企業或有可能大展身手。
2.物聯網相關芯片
2015年，全球物聯網(IoT)市場規模已達5982億美元，有預測表明，到2023年全球物聯網市場將進一步達到7242億美元，即2016—2023年的複合年增長為13.2%。進一步而言，2025年將有750億個設備與物聯網連接，製造產品的工廠、供應鏈的所有領域乃至帶有傳感器的洗碗機都將是物聯網的增長點。如前所述，物聯網相關芯片可能是今後5—10年增長最快的芯片之一，其中單芯片MCU、集成MCU、無線的單芯系統級芯片(SOC)等是長年致力於開發系統級芯片的日本半導體企業所擅長的技術領域，物聯網可望成為又一個牽引日本半導體產業發展的動力，日本可能成為比較理想的物聯網芯片生產基地。
3.機器人芯片
機器人需用IC芯片來收集和處理信息，控制電機和執行器，以及與其他系統聯網等。隨着全球機器人銷量增加，加上每台機器人使用芯片數量的增加和對更先進芯片的需求增長，機器人市場有望產生顯著的芯片需求。日本有專家認為，「機器人產業不僅是日本發展戰略的關鍵支柱，也是可望引領日本半導體產業增長的關鍵應用領域。」日本開發機器人芯片的一大優勢在於，其半導體企業可以從早期開發階段就與最先進的機器人企業合作，共同開發最先進的機器人芯片。
早在20世紀80年代，日本即被稱為「機器人王國」，至今在全球機器人及其關鍵零部件領域仍占領先地位，機器人已成為日本的一大出口工業產品。2015年，安川電機、發那科、川崎重工、不二越等日本機器人企業的銷售量占全球工業機器人銷售量的比例高達54.5%，在高精密減速器、力傳感器等產品市場上的占比更高達90%。而且，近年來，隨着日本大力開展「機器人革命」，其國內市場對服務機器人的需求增長將大大超過工業機器人。領先的生產技術和廣闊的消費需求，將從供給和需求兩方面推動日本的半導體產業更快發展。
4.半導體材料技術
各行各業的技術發展都立足於材料，特別是基礎性材料。材料技術的特點在於，它不是靠「砸錢」就能很快發展起來的，需要經過漫長年月的反覆研究與煉製，半導體產業所需的重要材料更是如此。
截至目前，在 14 種半導體重要材料方面，日本均占有50%甚至更多的份額，是全球最大的半導體材料出口國，特別是在硅晶圓領域占有絕對優勢。硅晶圓是製造各種芯片的基礎，是技術門檻極高的尖端高科技產品，全球只有十數家企業能製造。
全球前五大硅晶圓供貨商分別是日本信越半導體(市場占有率27%，其單晶硅可達到純度99.999999999%、即所謂「11個9」的水平，製造技術遠超其他企業)、日本勝高科技(26%)、台灣環球晶圓(17%)、德國Silitronic(13%)、韓國LG(9%)，這意味着日本制的硅晶圓占全球市場的一半以上(53%)，尤其是這兩家日本企業生產的200—300毫米的大尺寸硅片，占全球市場的70%以上。
綜上可見，經過20世紀80—90年代的日美半導體戰爭，日本半導體產業(包括設備和材料產業)沒有被擊垮，也沒有中斷其堅持趕超美國的努力。經過多年來的大規模產業結構改革，日本半導體產業不斷摸索「新興應用領域」，另闢蹊徑，彎道超車，展開了新一輪技術創新的進程。
當前，以半導體芯片為代表的「核心技術」競爭成為大國科技競爭的制高點，科技競爭又成為大國戰略博弈的制高點。對於美國來說，它所有的尖端武器裝備都建立在極其先進的芯片技術基礎之上，以芯片技術為代表的「核心技術」的壟斷地位，是美國全球霸權的基石，它一定會緊抓不放。
對於中國來說，以芯片為代表的「核心技術」則是抓住並用好新一輪科技革命機遇的重要抓手，也一定要緊抓不放。眾所周知，中國曾因為一再錯失科技革命機遇而陷入落後挨打的悲慘局面，如今中國正努力追趕新一輪科技革命機遇並取得巨大成就。美國不願意看到中國迅速發展，把中國定位為「戰略競爭對手」，力圖在核心技術上扼制中國，其戰略目標就是干擾和阻擋中國抓住用好新一輪科技革命機遇的前進步伐，並妄圖使中國再次淪為歷史上那個錯失科技革命機遇的國家。為此，我們一定「要像抓『兩彈一星』那樣狠抓以IC為核心的電子信息產業」，既要分秒必爭，努力奮鬥，又要克服急於求成、盲目跟風、輕率投資的浮躁情緒，要「有所為有所不為」；既要立足國內，又要積極開展國際交流合作。
另外，日本另闢蹊徑、彎道超車、發展專用集成電路的做法表明，不宜認為只要不計成本地「砸數十億美元」就能把CPU等超大市場規模的高端通用芯片一下子搞上去，而要對芯片行業「山有多高，水有多深」具備洞若觀火的預見能力，選准真正有能力承擔「數十億美元」投資的、具備綜合技術知識經驗和協調能力的技術團隊，集中力量追趕發展高端通用芯片，同時大力發展所需投資要小得多的MCU、物聯網芯片等「(目前的)專用芯片」，若干年後它們很可能轉化為超大市場規模的「(將來的)通用芯片」。中國還要促使芯片「需求側」積極支持國產芯片擴散的商業化過程，進而通過大數據洞悉各種芯片的市場需求，錘鍊「芯片 X」的綜合能力和創新思維。
(作者系中國社會科學院日本研究所研究員馮昭奎 本文為中國社會科學院日本研究所《日本學刊》供人民網特稿)
留言列表