“美國最重要的優勢正受制於人, 豈能安睡?” 兩位美國年輕學者的憂思

【導讀】把中國塑造成對手，進而推動國內政策議程，已成為美國精英群體的一個流行做法。 2022年以來，在拜登政府力推下，美國眾議院公佈《2022年美國競爭法案》，以中國主要競爭對象，計劃推出520億美元的晶片投資。

本文指出，這一晶片法案偏重晶片的研發和增產，卻嚴重忽略關鍵原材料的供應問題。 作者以中國稀土為例，強調美國晶片製造所需的原材料，幾乎完全依賴東亞，這對美國意味著極大的市場風險和地緣政治風險。

由於這些關鍵原材料尚無替代品，其產能一旦過分集中，將增加美國原材料供應中斷的風險。 作者尤其指出，中國既在晶片製造領域與美競爭，又是礦產、電子特氣等一些關鍵材料的主供應商，而且未來還將擴大產能。 這使博弈形勢更加複雜。

他分析，美國也想擴大關鍵原材料的本土產能，但要解決這個問題並不容易。美國工作力成本更高，原材料生產的啟動時間過長，而且晶片製造廠為了避免原材料出現雜質，通常不願更換新供應商。而原材料生產還面臨環保壓力。這些因素都促使美國本土廠商更傾向於海外採購。儘管挑戰重重，作者仍呼籲美國政府推出實質性激勵措施，來發展原材料的本土生產，這不僅關乎美國的半導體製造業，還關乎美國的國家安全。

總的來說，這篇文章的寫作思路並無新意，依然沒有跳出借中國來推動美國國內政策目標的慣性思維。 但文章對半導體產業全球競爭態勢和對關鍵原材料供需格局的分析，或許能為我們思考相關問題提供線索。

文章原載National Interest，原題為《關鍵原材料事關美國半導體供應鏈的成敗》，僅代表作者觀點，供讀者參考。

關鍵原材料事關美國半導體供應鏈的成敗

世界上最先進的半導體——先進製程邏輯晶片——是人工智慧、量子計算、機器人以及先進無線網路等新興“必爭”技術的基礎。 這些技術在維護美國國家安全方面有著巨大潛力，這一點毋需說明。 然而美國晶片製造所需的原材料，幾乎完全依賴東亞，這對美國意味著極高的市場風險和地緣政治風險。 雖然美國政府通過晶片法案，試圖向半導體產業注入520億美元並解決晶片供應的各種薄弱環節，卻忽略了半導體製造所必需的礦產、工業氣體、化學製劑等關鍵原材料的重要性。

▍關鍵原材料為何重要？

要製造先進製程邏輯晶片，至少需要三百多種原材料，礦產、工業氣體和化學品在數量上僅佔很小一部分，卻有著舉足輕重的作用。 美國半導體行業協會對此有著更為直接的說法，“這些關鍵原材料在多數情況下尚無替代品，因此安全且持續的材料供應，對半導體生產至關重要。 “國際半導體產業協會（SEMI）對原材料市場的評估高達404億美元。 該協會指出，鑒於晶片需求猛增，原材料需求也隨之增加，這一數字勢必擴大。

目前，中國供應全球半導體市場13%的原材料，而東亞其他地區佔比約57%，美國佔11%。 考慮到市場和地緣政治風險，這種壓倒性的集中，使得美國原材料供應被中斷的可能性大增。 由於晶片需求猛增，原材料供應商面臨增產壓力，同時也面臨被製造商搶奪的局面。 因此即便原材料按計劃擴產，也不足以滿足未來全球對關鍵原材料的需求。 同時中國的情況也使事情變得複雜：中國既在晶片製造領域與美競爭，同時又是一些關鍵材料的主要供應商。 正如美國安全和新興技術中心所警告的那樣：「中國公司是原材料的主要供應商，而美國原材料嚴重依賴進口，國內產能不足。 ”

中國、台灣、韓國、歐盟和美國都試圖提升原材料產能。 例如，2019年韓國宣佈對原材料、元件和設備投資50億美元。 與此同時，中國主要原材料生產商，比如科華微電子材料公司，也在積極擴大業務和在美銷售。

但是美國，相較之下，在解決這個問題上面臨嚴峻挑戰。 美國的工作力成本相比外國競爭對手高 50%，而原材料生產的啟動需要2-15年不等。 更令美國擔憂的是，原材料的生產，面臨雜質風險，這使得先進晶片製造廠通常不願更換新的供應商。

因此，任何提升美國國內原材料產能的舉措，都必須包括政府實質性的激勵措施。

▍礦產：中國掌控著重要份額

礦產對於半導體製造的重要性不言而喻。 其中最常用的是矽和砷化鎵。 單晶矽一直是基礎半導體原材料，但化合物砷化鎵因其優良的結構特性，正越來越多地取代矽。 其他相關礦物，如稀土元素和鈷，也扮演著關鍵角色。 而晶片的擴產，導致這些礦物的需求水漲船高。 例如，僅在2019年至2020年間，鈷的需求就增長近30% 。 從工藝製造的角度看，新型化合物是提高半導體器件性能和可靠性的必要條件，而新型化合物的商業化也促進了市場對其他礦物原料的需求。

多重壓力之下，礦物供應鏈已變得緊張起來。 后疫情時代的經濟復甦，推動各個行業對礦物原料的需求，致使這些原料的生產成本和交貨時間激增。 自2020年初以來，釕和銥等原料需求增長近三倍，銅、鈷和鋁的價格也一路飆升。 大量原材料工程受新冠疫情影響而被迫停產，也是促成全球供應鏈緊張的原因之一。 就在2021年，受中國矽原料減產影響，從8月到12月，矽價格上漲了300%。 在半導體產業鏈中，任何類似的生產中斷都可能導致價值數億美元的重大損失。 由此可見，對於當下需求量暴增的電動汽車行業來說，如果這種供應風險持續存在，對可再生能源技術的影響必然十分嚴峻。

從另一角度來看，美國所依賴的外國礦產資源來源相對單一， 這也是美國半導體供應鏈的危險之一。 2018年，美國地質調查局將35種礦物列為“對美國經濟和國家安全至關重要的礦物資源”。 其中30種礦物直接影響半導體製造，其中23種礦物的美國進口依存度超過75%，其中12種對中國的進口依存度為100%。 截至2021年，中國生產了全球60%的稀土資源，而美國僅生產15%。 2017年至2020年間，中國是美國稀土進口的主要來源地，佔78%。

因此，中國對於半導體礦產的佔有，構成重大的地緣政治挑戰。 美國認為，中國已經表現出將其礦產市場影響力作為「武器」的意願。 在2010年的外交爭端中，中國明確禁止向日本出口稀土資源。 而後在2019年的中美貿易戰期間，負責監督國家經濟政策的中國國家發展和改革委員會提出警告，「任何試圖用稀土製品來遏制中國發展的行為，都不會被全體中國人民所接受。

據報導，中國已經起草了稀土出口有關的管制條例，其中特別針對美國的國防工業。 這些出口禁令以及出口配額，將會導致全球礦物資源價格的進一步上漲。 同時，由於中國佔有全球礦產儲量的重要份額，中國對半導體製造關鍵原材料的控制將會繼續下去，其中包括鎢（51%）、銻（24%）和各種稀土元素（37%）。 鑒於最近美國本土的所有稀土供應商進行了合併，中國對於礦物資源市場的佔有只會更加強大。

美國政府正在努力—儘管有些隨意—解決礦產資源問題。 美國國防部已經給了澳洲萊納斯稀土公司和美國MP稀土公司建造稀土加工設施的合同，美國能源部也正探索開發一個關鍵的礦物精煉廠。

▍工業氣體：受俄烏戰爭影響嚴重

晶片製造的過程至少需要上百種工業氣體。 在沉積、光刻、蝕刻、摻雜、退火和腔室清潔等不同階段，使用到的氣體可分為兩大類，大宗氣體和電子特種氣體。大宗氣體，是通常所見的氮氣、氧氣、氬氣、氦氣、氫氣和二氧化碳; 而電子特種氣體，則是在純度、品種、性能等方面有特殊要求的純氣、高純氣或摻雜配製的二元或多元混合氣，包括氨、矽烷、氯化氫、三氟化氮和笑氣。 更重要的是，高純工業氣體在生產先進製程邏輯晶片的過程中是不可替代的。 隨著美國擴產先進製程邏輯晶片和其他半導體晶片，美國對工業氣體的需求可能會在未來三到五年內大幅增長。

而東亞承擔了大部分工業氣體的供應。 全球超過75%的電子特氣源於韓國、日本、中國和台灣。 例如，中國生產了全球60%的氟石，而這是合成許多氣體的關鍵成分，比如CF、NF3、HF、WF6 和 SF6。 幾乎所有的美國工業氣體都需要依賴海外供應商：默克集團（德國，佔據大部分市場）、中船重工718所、廣東華特氣體、南大光電、液化空氣集團（法國）、林德集團（荷蘭）、昭和電工（日本）、圓益 （韓國）、SK集團（韓國）和英特格（美國） 。

正如人們所預料的，美國半導體行業已經面臨工業氣體的需求壓力。 美國技術諮詢公司Linx Consulting的一份研究報告指出，「美國半導體的產能擴張和有機生產的需求，將對當前的電子特氣供應鏈造成稅負。 美國需要投資更多的電子特種氣體供應鏈與新建製造工廠配套，以滿足更高的生產要求與擴充的產能。 “如果美國面臨工業氣體短缺，這將嚴重地影響下游產業的正常生產。 從這個角度看，蝕刻氣體C4F6是不可替代的。 每減少6000萬-1億美元的C4F6供應，將造成下游產業100億-180億美元的損失。

如上所述，工業氣體市場面臨巨大的地緣政治風險。 半導體行業協會的警告直截了當：「美國工業氣體供應不足，我們依賴外國進口，這可能會變得十分不穩定。 正在進行的俄烏戰爭凸顯了這種不穩定性。 烏克蘭為美國半導體製造提供了90%的高純度氖氣，然而，從2021年12月到2022年3月，停產使整體氖氣價格上漲500%。 烏克蘭也是氙氣的主要生產國，供應量約佔全球30%，用於半導體蝕刻製程。 而受到美國和歐洲制裁的俄羅斯，是氦氣和C4F6的主要生產國之一。 雖然美國的主要晶片製造商大都儲備了可供一年的工業氣體，以防隨時可能出現的供應短缺，但體量較小的晶片製造商幾乎馬上面臨著供應問題。

為了滿足美國急迫且不斷增長的需求，日本、韓國和台灣正在擴大其工業氣體的產能。 實際上，東亞主要的工業氣體生產商都在提升產能。 正如中國“十四五”規劃所述，隨著中國追求半導體產業自給自足，到2025年，中國在工業氣體市場的份額必將進一步擴大。這對美國而言無疑是值得擔憂的。 美國也相應增產工業氣體，且盡可能在主要的半導體製造商附近選址。 例如，荷蘭林德集團就投資6億美元，在亞利桑那州建設氣體生產設施，而那裡將建造台積電的新工廠。

▍化學製劑：不看成本，美國有可能自給自足

半導體製造使用大約五百種化學製劑，包括光刻膠、拋光液和濕化學品（如硫酸）。 同樣需要的是通用化學品，例如異丙醇和鹽酸。 鑒於其獨特性，這些化學製劑沒有替代品。 正如人們猜測的，半導體的擴能，正拉動化學品的供應需求，尤其是用於EUV光刻機的光刻膠需求猛增。

而東亞仍是化學製劑的主要供應商。 一個有說服力的例子是，日本的東京應化工業、JSR公司和信越化學工業等，控制著全球90%的EUV光刻膠的供應。 這是製造先進製程邏輯晶片的關鍵化學品。 正如預期的那樣，中國是氫氟酸等濕化學品的主要生產國。 反觀美國國內，我們不生產先進製程邏輯晶片所必需的任何高純度化學品，也沒有擴大濕化學品的產能。 而美國製造廠商也習慣從海外採購這些化學品。

對於超純化學品而言，其低產能的特點，意味著供應中斷的風險。 專家預測，美國對硫酸的需求將提升37%，對氫氧化銨的需求將上漲46% 。 電子材料諮詢公司TECHCET警告稱，“美國可能在2023年面臨化學品的短缺。 “這些化學品的獨特性質，使晶片製造廠無法尋求其他化學品作為替代; 各供應商參差的化學配方，也使輕易地更換供應商變得困難。 而供應商的工廠事故（譬如日本住友化學工廠爆炸導致環氧樹脂斷供）和新生產規定（例如歐盟2020年提議限制半導體製造所必需的含氟化學品），都使原材料供應鏈變得羸弱不堪。

這種風險其實一直存在：化學品的供應通常來自單一國家或公司，以至於任何地緣政治風險都會影響半導體的製造。 例如，台灣是超高純度異丙醇的主要生產地，任何與中國的關係變化都會波及供應。 在此之前，韓國已經忍受過地緣政治的後果。 日本生產全球約90%的氟化聚醯亞胺和70%的氟化氫，並且韓國90%的光刻膠都來自日本。 當2019年7月日本限制向韓國出口光刻膠、氟化氫和氟化聚醯亞胺時，韓國半導體出口的潛在損失約每月84億美元。

考慮到當下和未來對化學製品的明確需求，韓國和台灣正在加大對化學製品生產的投資。 韓國政府設定2023年的生產目標：為本土供應商提供70%的電子化學品。 同樣，中國也在大力投資光刻膠生產，預計中國光刻膠公司的產能，將在未來三到五年內實現大幅增長。 而在與製造商達成長期合作的背景下，日本也預計在不久之後主導全球化學品的供應。

在化學製劑的生產方面，美國只面臨增加產能的挑戰。 平均來看，在美國國內生產化學製劑的成本，是亞洲工廠的五到六倍，但化學工廠的建設只需要兩到三年時間。

▍事實不容樂觀：美國需要立即採取行動

美國政府必須重視半導體的工業原料，不僅要關注產能增長，更要關注原料品質的提升。 這關乎美國的國家安全。 美國政府力推的520億美元晶片法案著重提及半導體的研究和製造，卻“痛苦地”忽視了礦物、氣體和化學品。 即便實現了當前的製造目標，從長遠來看，美國對東亞市場的嚴重依賴仍將構成重大風險。 沒有足夠的原料，半導體製造是不可能的。 白宮的一份報告對此事很清楚：「任何原料的供應中斷，都可能對美國的半導體製造產生深遠影響。 ”

所以我們認為，美國必須提高國內的高純度礦物、氣體和化學品的產能和品質。 否則美國的半導體製造業—以及美國國家安全—將繼續高度依賴無法控制的外國因素。

✪作者 Shubham Dwived i | Gr egory D. Wisc her 美國喬治城大學