发达国家芯片研发历程、成效及启示

刘宏松

【关键词】芯片研发 半导体产业 发达国家 【中图分类号】F426.63 【文献标识码】A

半導体产业分为集成电路、传感器、分立器件和光电子，并以集成电路产业为主，而芯片是集成电路的载体，所以通常半导体、集成电路、芯片可等价相称。半导体技术已成为当今世界持续高速发展时间最长、投入最大、最为复杂和先进的技术之一。半导体芯片产品型号数以万计，应用极为广泛，深刻地影响着我们的生活和世界。

半导体产业链十分复杂，芯片的制造流程大致可以分为晶圆材料制造、芯片研发与设计、芯片制造、晶圆测试、封装及成品测试等环节。作为半导体产业链的核心环节，芯片研发于20世纪50年代在美国起步，至今已走过近70年的历程。

在当前全球半导体市场份额排序中，美国、韩国和日本位居前三。美国是半导体产业的发源地，日本和韩国均属这一产业领域的后发国家。三个发达国家的芯片研发路径具有一些共性。

1959年2月，美国德州仪器率先发布芯片产品。由于芯片技术高度契合军事需求，美国政府不计代价地大规模投入，美国国家科学基金会、美国国防部高级研究计划局以项目的形式支持斯坦福大学、贝尔实验室、IBM、德州仪器和硅谷仙童半导体公司等科研机构和企业进行半导体技术研发。美国商务部公布的统计数据显示，在芯片诞生的1958年，美国政府直接拨款400万美元进行研发支持，此外还有高达900万美元的订单合同。芯片发明后的六年间，美国政府对芯片项目的资助高达3200万美元，其中70%来自空军。同期美国半导体产业的研发经费有约85%的比例来自政府，政府的支持成就了美国在半导体领域的技术优势。①20世纪50年代中期到60年代初，至少70%—80%半导体企业的研发经费是从政府的采购合同中获得的。1962年，美国德州仪器为“民兵”导弹制导系统供应了22套芯片，这是芯片第一次在导弹制导系统中使用。直到20世纪60年代，美国80%的芯片产品仍由国防部采购。

后来，随着半导体产业的发展以及市场的扩大，私人资本逐渐进入，美国政府适时推出了《小企业投资公司法》《信贷担保法》等十几部法律，鼓励风险投资，进一步推动了芯片技术创新和产业化。当产业发展进入高速成长期时，美国政府就开始逐渐淡化对产业的干预，通过“第二供货商”，禁止行业垄断等政策上的调整，为企业间的充分竞争扫清障碍，从而促进了产业的整体繁荣。②美国政府对芯片研发和半导体产业的扶持在很大程度上促成了以斯坦福大学为代表的学校和产业实现紧密互动，硅谷很多著名企业都受益于学校里的科研成果。

在美国德州仪器发布芯片产品后不久，日本政府就意识到芯片代表着半导体市场的未来。1960年12月，日本通产省（通商产业省的简称）下属的工业技术院电气试验所成功研制出日本的第一块芯片。1962年，日本电气（NEC）从美国仙童半导体公司买来平面光刻技术的授权，从零起步，三年做到了5万块的芯片年产量。③1966年，“集成电路”被正式列入通产省的产业统计。日本政府分别于1971年和1978年制定了《特定电子工业及特定机械工业振兴临时措施法》和《特定机械情报产业振兴临时措施法》。这两部法规均规定：必须加强对日本尚未掌握或远落后于国外的芯片等半导体生产技术的试验研究及生产；通产省需要根据技术难度、先进性以及成熟度推进相关课题研究。这一政策促进了日本企业对国外半导体领域先进技术的学习、吸收和转化，并为实施超大规模集成电路的共同组合技术创新行动计划奠定了基础。④

1976年，日本启动了“下世代电子计算机用超大规模集成电路”（VLSI）研究开发计划，其核心是先进制程内存及半导体生产设备的研发。VLSI计划由通产省牵头，日本电气、日立、东芝、富士通和三菱五家半导体企业参与其中，并与日本工业技术研究院等研究机构形成研究组合。董事会是VLSI组合的最高决策机构，主席由五家企业的总裁轮流担任，秘书长则由通产省代表担任。VLSI计划的成果所有权归政府，但参与该计划的企业可以共享其技术成果。⑤VLSI组合存续了四年时间，筹集到了737亿日元研发资金，日本政府以无息贷款的形式投入了约291亿日元。VLSI组合在不同年份提供的研发资金分别占日本半导体行业研发总投入的25%—66%，相当于五家成员企业研发投入总和的2—3倍。为提高成员企业参与联合研发的积极性，日本通产省还允许企业将部分合作研发资金转入到企业实验室，这促使约85%的研发资金被分配到企业实验室。另外，成员企业还可享受8%—10%的研发支出税收抵免等税收优惠。

在VLSI组合帮助下，日本在动态存储器等领域突飞猛进。在1986年—1991年间，日本在全球半导体市场占据了近一半的份额。这让美国半导体企业感到恐慌。于是美国半导体行业协会向本国政府发出警告，日本半导体产业的崛起对美国半导体产业造成了严重冲击，并且会危及美国国家安全。由此，美国对日本半导体产业实体发起制裁。1985年10月，美国商务部指控日本企业倾销只读存储器产品。1986年，日本通产省与美国商务部签署了第一次《美日半导体协议》。根据这项协议，美国暂时停止对日本企业的反倾销诉讼，作为交换条件，日本政府将加强对半导体价格的监督，日本企业将购买美国企业生产的半导体。日本同意设置6个品种的半导体产品对美国及第三国的出口价格下限，不再低价倾销芯片。日本还同意开放半导体市场，目标是到1991年外国公司在日本市场的份额达到20%。1987年，美国宣称日本并没有完全遵守《美日半导体协议》，根据“301条款”对日本出口到美国的3亿多美元的芯片征收100%的惩罚性关税。美国还否决了日本富士通对美国仙童半导体公司的收购计划。1991年，美国和日本又签署了第二次《美日半导体协议》。自此，日本半导体产品的国际市场份额一跌再跌，动态随机存取存储器（DRAM）份额更是从近80%下跌到10%以下。

与此同时，美国政府于1987年批准国防部联合国内14家半导体制造企业成立了半导体制造技术联盟（SEMATECH）。该联盟的董事会由14家企业的高管和政府代表组成。从1987年成立到1996年政府退出的10年间，美国政府总计向该联盟投资了8.5亿美元，成员企业也按其销售额的1%投入研发资金。

为了打造与日本半导体企业巨头相抗衡的大型半导体企业，20世纪80年代中期以来，美国修订了一系列法律，消除反垄断法对企业间合作研究的限制，推动政企合作研发及科研成果向技术应用转移，促进半导体产品及设备的生产工艺改进。1984年，《国家合作研究法》从法律上认可了企业间合作研究。1986年和1989年两次修订《史蒂文—怀尔德法案》，允许政府资助的研究机构与私营公司以及在美国的生产企业通过签订合作研发协议开展合作。⑥美国政府逐步放松反托拉斯法的限制，长达12年的IBM垄断案的审理被终止，美国反垄断政策的重要规章——《并购指南》和《横向并购指南》多次被重新修订。在相对宽松的法律环境下，美国半导体产业内的并购案数量迅速上升。发起方为美国半导体企业、价值高于100万美元的并购案数量从1980年到1985年间的每年6起左右，上升至1986年到1990年间的每年18起、1991年到1995年间的每年34起。并购案的数量和金额都大幅提升。

韓国政府对芯片研发的扶持主要体现为战略引导、优惠贷款和资金支持。在日本政府启动VLSI计划的同时，韩国政府也建立了韩国电子通信研究院，设置了试验生产线，于1979年成功生产出16K内存。这是韩国掌握内存技术的开始。1982年，韩国政府颁布类似日本VLSI计划的“半导体产业振兴计划”，提出要实现电子配件和半导体生产的本土化。韩国建立了由国家研究所、三家财团和六所大学联手的共同研发体制，在三年内总计投入了2.5亿美元的研发资金，其中多数由政府拨款。韩国政府大力引导大型企业，特别是财阀进入半导体领域，向他们提供优惠贷款、减税和其他奖励。20世纪70年代后期，韩国通过信贷手段将巨额的资本注入半导体行业，从根本上改变了大型财阀的投资环境。1981年5月，韩国实行了普通银行民营化的政策，陆续把15家普通银行交给大企业集团经营。韩国三大半导体企业在刚开始发展半导体业务时都经历了多年的巨额亏损，全依靠韩国银行在政府直接干预下持续给予的贷款支持，政策性贷款在韩国各大银行所有贷款中的占比一度高达60%。1986年，韩国政府将研发4M内存列为由韩国电子通信研究院牵头的国家项目。三星电子、金星、现代和韩国六所大学联合进行4M内存技术的攻关，三年间投入研发费用1.1亿美元，其中多数投资仍由政府承担。在三星电子等企业取得内存技术的领先地位后，韩国仍然不遗余力地实施对芯片研发的扶持政策。1994年，韩国政府为促进芯片技术创新，颁布了《半导体芯片保护法》。同年，韩国政府还制定了电子产业技术发展战略，将集成电路等7大战略技术作为重点开发对象，在未来五年内投资2万亿韩元来发展电子产业，其中政府投资9000亿韩元。⑦

美国通过向与芯片研发、生产相关的高技能人才以及家庭提供永久居留权申请的便利条件，以促进高技能人才移民美国。2022年以来，美国政府持续放宽科学、技术、工程和数学（STEM）领域高层次人才获得美国绿卡的条件，并通过延长在美留学生就业许可有效期、延长STEM人员实习工作时长、简化STEM专业毕业生签证申请程序等政策措施增加高层次人才留美机会，进而吸引全球顶尖半导体科技人才。⑧

日本半导体技术发展归根结底是依靠本国技术人员和企业的不懈努力。日本有大批半导体技术人员将半导体研发、设计和制造作为毕生奋斗的崇高事业。富于工匠精神的日本企业及其员工数十年如一日地苦心钻研技术，富于团队精神的工程师经常与车间工人一道追求技术革新，共同提出合理化建议，努力提高成品率，富于敬业精神的企业管理者将技术革新和合理化建议汇聚成集体智慧。一批又一批优秀的半导体技术和企业管理人才正是在这一过程中成长起来的。可以说，优秀的半导体技术人员、高素质的技能工人和出色的企业管理者，为日本迅速赶超美国先进技术提供了强有力的人才支撑。⑨

在半导体产业发展初期，三星电子等韩国大企业就实施了从竞争对手“挖人”的战略。20世纪80年代末90年代初，日本半导体企业业绩大幅下滑，韩国大企业借机从日本东芝等海外竞争对手公司大量引进半导体技术和管理人才，仅东芝就被三星电子挖走了70多人。同时，韩国大企业通过并购海外半导体企业等方式，引进了大批优秀工程师，开发了多项前沿芯片技术。并且韩国半导体领域的大财团还在数十个重点国家和地区组建了研究团队和研究机构，在海外知名院校开展专场招聘，大力引进海外技术人才。除此之外，韩国还高度重视本国人才的培养。20世纪末，韩国教育部门先后发起“BK21”“BK21+”等计划，耗资数万亿韩元，向韩国境内的五百多所大学和研究机构进行精准专项支援；进入21世纪后，韩国政府又推出半导体希望基金，使得韩国大企业、高等院校和相关科研机构获得了充足的研究经费，通过产学研用的联合培养，巩固了韩国在半导体领域的优势地位。⑩

在一系列芯片研发政策支持下，美国于1992年重新占据全球半导体市场份额的首位。在半导体行业，美国公司近年来一直占全球总销售额的45%至50%，是逻辑系统、内存和模拟以及FAB软件、设备和过程控制工具制造工艺研发的全球领导者。美国以技术领先优势构建了一个以前沿技术研发为主，中下游制造业依赖东亚地区的半导体产业全球价值链，并由此实现产业链主导。不仅如此，SEMATECH计划还产生了两个效果：一是集中研发，并将研发成果在半导体行业内实现共享；二是半导体制造技术变得模块化，这使设计与制造分离成为可能。1987年以前，全球半导体行业都采取集成器件制造商（IDM）模式，即在企业内部完成芯片设计、生产和封装测试三个流程。半导体制造技术模块化促成了设计—代工模式的兴起。这一模式大大降低了芯片设计的门槛，几个有经验的芯片工程师就可以组建团队，开展芯片设计业务，然后付费给芯片代工企业加工生产，形成自主品牌产品。半导体制造技术模块化不仅提高了美国半导体产业的竞争力，还降低了行业门槛，使技术不太成熟的企业能够从事半导体生产。凭借劳动力成本优势，韩国三星电子开始投入到DRAM芯片的研发和生产中。？以台积电为代表的代工企业也不断成长壮大，开始与传统IDM巨头同台竞技。

日本政府对芯片研发的政策扶持效果在20世纪80年代显现出来。以当时最有代表性的IC产品DRAM为例，1980年，日本先于美国研发出64K容量的DRAM芯片；1984年日本又率先研发出1MB容量的DRAM芯片。1985年日本电气占据全球半导体产品销量的首位，其后几年间日本电气、东芝、日立连续占全球半导体产品销量前三位。1986年，日本超越美国成为世界上最大的半导体生产国。1987年，由于日本半导体产品的价格优势及其几乎达到100%的成品率，日本半导体企业生产的DRAM芯片在全球市场所占份额达到80%。截至1990年，日本半导体企业在全球前10名中占据6席，在前20名中占据12席。？然而，日美半导体贸易摩擦发生后，日本半导体产业显现出衰落之势，其市场份额大不如前。到2019年，世界半导体前十名的企业中，已无日本企业踪迹。

韩国的半导体产业在韩国政府扶持和引导下崛起。 1983年11月，三星电子在64K容量的DRAM芯片研发方面取得突破，这标志着韩国半导体行业已不再停留在相对简单的LSI（大规模集成电路）技术，开始向VLSI技术迈进。1988年和1992年，三星电子又分别研发出4M DRAM芯片和64M DRAM芯片。到2000年，三星电子在DRAM市场已占据超过全球40%的市场份额。2022年全球半导体销售总额排名前三的企业中，韩国的三星电子和SK海力士就占据两席。根据知识产权产业类媒体IPRdaily和incoPat创新指数研究中心联合发布的《2019年全球半导体技术发明专利排行榜》的统计数据，韩国企业在世界前五名中占有两名，三星電子更是以5376件发明专利位居世界第一。以上数据说明，韩国在芯片研发和技术创新方面已具备超强实力。？

日本半导体产业由盛转衰有多方面的原因。日美半导体贸易摩擦和《广场协议》签订后日元不断升值，削弱了日本半导体企业的竞争力，但不能据此认为二者就是日本半导体产业由盛转衰的主要原因。如果日本半导体企业能够调整技术主攻方向和内部治理结构，是有可能在日美半导体贸易摩擦和日元升值危机下保持其领先地位的。20世纪80年代中后期，全球半导体行业发生了两个重大变化：一是系统芯片取代存储器芯片成为行业主导产品；二是半导体制造技术模块化带来的生产组织方式由IDM模式向设计—代工模式转变。日本半导体企业的技术和生产优势集中于以DRAM为代表的存储芯片上。半导体行业产品更新迭代速度非常快。一方面，半导体企业要在技术上保持优势，就需要不断投入大量的研发资金；另一方面，半导体企业不仅要满足新产品研发和生产需求，还要持续对生产设备进行投资。半导体企业必须占有较大的市场份额，才能有更多的资金投入到技术研发和创新中，从而保持技术优势，而市场份额下降使得日本企业无力在系统芯片上投入足够的研发资金。

日本半导体企业的生产组织方式是上下游捆绑程度比IDM模式更为紧密的垂直一体化模式。直到20世纪90年代日本半导体产业陷入困境之前，日本的半导体业务几乎都集中于大集团下的子部门，其半导体技术和芯片产品的需求，完全来自于集团自身终端产品的需求。美国英特尔这种IDM企业则采取另一种模式，全力满足市场上广泛的技术和产品需求。前者客户是自己的母公司集团，需求稳定，但很容易因为母公司集团的波动而发生不可抗的波动；后者客户是整个市场，空间巨大且会提出广泛的技术挑战，有利于产品综合性能的提升。日本的大集团模式缺点很明显：一方面，大集团的半导体部门销售方向和研发方向固定，缺乏竞争环境，技术创新动力弱；另一方面，半导体部门很容易受到集团终端部门的影响，终端销售好，半导体部门业绩就好，反之亦然。日本曾经占据了半导体产业下游应用的大部分“风口”，包括电视、个人计算机、收音机、家电等。当“风口”转移到手机、平板电脑等移动智能终端时，日本终端制造快速萎缩，间接导致了日本半导体产业萎缩。

全球半导体行业发生了巨大变化，这导致日本半导体产业的相对优势进一步动摇，日本半导体企业不得不进行部门拆分和重组。2003年4月，日立、日本电子和三菱的芯片部门合并成立“瑞萨科技公司”。2015年3月富士通和松下两家公司的系统LSI业务部门合并成立索喜公司。？日本在某些细分产品领域仍占有一些优势。例如，瑞萨科技是无线网络、汽车、消费与工业市场设计制造嵌入式半导体的重要供应商，索喜公司在视频、成像和光纤通信网络等领域占有优势，东芝则是2017年制造内存芯片的全球十大半导体厂商之一。然而，日本半导体产业在全球半导体市场的影响力已大幅下降。

韩国半导体企业在1997年亚洲金融危机后也遭遇困境。1998年，韩国执行了国际货币基金组织的贷款条件，正式宣布全面对外开放金融业，韩国企业股权向外资开放，并且不设上限。三星电子约55%股权由外资持有，主要是美国华尔街资本，包括花旗银行和摩根士丹利。由此，以三星电子为代表的韩国半导体企业失去了独立自主性。

此外，韩国半导体产业还面临专业人才短缺的问题。由于各国对半导体技术人才的需求与日俱增，人才的全球流动趋势愈发明显。韩国经济部门预估，2022年至2031年，韩国将出现至少3万名半导体技术人才的短缺问题。人才短缺将直接影响韩国在AI芯片设计等前沿半导体产业领域的研发。？

总之，在半导体产业发展过程中，美国、日本和韩国都采取了政府扶持和引导、人才引进和培养的措施促进芯片研发。这些措施推动了美国、日本和韩国半导体企业的芯片研发和技术进步。日美半导体贸易摩擦和《广场协议》签订后，日本半导体产业由盛转衰。日本半导体企业未能适时调整生产组织方式以适应全球半导体行业的变化，是其竞争力下降的重要原因。韩国半导体产业正面临人才短缺问题，这将影响韩国半导体企业在前沿领域的芯片研发。

芯片是人工智能、5G通信和量子计算的基础。芯片技术是数字时代的底层支撑。近年来，美国、日本和韩国又出台了一系列政策和法规，以加大对芯片研发的支持力度、争夺芯片技术主导权。日本和韩国已意识到自身半导体产业存在的问题，正吸取教训、力图补齐短板。当前，我国正在加大对芯片研发的支持力度，打造具有竞争优势的半导体产业。发达国家芯片研发的路径和经验值得我国政府和半导体企业参考借鉴。

（作者为上海交通大学国际与公共事务学院教授）

【注：本文系2022年国家社会科学基金项目“全球经济治理改革新挑战与中国路径优化研究”（项目编号：22BGJ020）的阶段性成果】

【注释】

①③⑦余盛：《芯片战争》，武汉：华中科技大学出版社，2023年，第18-19页、23页、123-124页。

②冯锦锋、郭启航：《芯路：一书读懂集成电路产业的现在与未来》，北京：机械工业出版社，2023年，第79页。

④⑤周千荷、吕尧：《战后日本发展半导体产业的经验分析》，《网络空间安全》，2020年第7期，第131页、132页。

⑥陶涛、石可寓：《日美半导体摩擦再认识及其对日本半导体产业的影响》，《东北亚论坛》，2023年第1期，第119页、123页。

⑧张晓兰、黄伟熔：《发达国家和地区加强半导体产业发展的趋势及对我国的影响》，《发展研究》，2023年第1期，第54页。

⑨冯昭奎：《日本半导体产业发展的赶超与创新——兼谈对加快中国芯片技术发展的思考》，《日本学刊》，2018年第6期，第16页。

⑩磨惟伟：《韩国半导体产业发展情况分析及相关启示》，《中国信息安全》，2022年第10期，第96页、95页、97页。

冯昭奎：《日本半导体产业发展与日美半导体贸易摩擦》，《日本研究》，2018年第3期，第26页、27页。

责编/谢帅 美编/王梦雅