30年前美国半导体产业那次传奇的复兴

2020年5月15日，美国商务部产业安全局（BIS）发布新规，大意是修改了《出口管理条例》中的“外国生产的直接产品规则”（foreign-produced direct product rule），要求在美国境外生产的，但属于美国的软件或技术所产生的直接产品，在向华为出口时，须事先向BIS申请出口许可。从BIS给出的ECCN编码看，管制范围大概涉及电子、电脑、电信三个领域。排名第一的3E001，主要就包括用于生产或开发半导体制造设备和制造材料的技术。这个新规之所以威胁很大，是因为尽管华为可能不需要直接从美国进口什么零部件，但华为设计的芯片要造出来，需要请台积电、中芯国际等厂商代工，而这些代工厂生产半导体芯片时所用的制造设备和材料几乎不可能避开美国技术。也就是说，台积电和中芯国际帮华为代工的芯片属于美国半导体制造设备相关技术的直接产品，在向华为交付前，需要BIS许可。

美国能这样做，正是因为其在半导体制造设备和制造材料相关技术方面几乎处于国际垄断地位，卡住了国际半导体产业链的脖子。美国在国际半导体产业能有如此地位，不得不提及34年前建立的美国半导体制造技术联盟（Sematech, SEmiconductor MAnufacturing TECHnology）及其引领的美国半导体产业复兴。Sematech的成功经验，与美国政府在Sematech中发挥的关键作用，至今仍有值得学习和借鉴之处。

美国是半导体技术的故乡，1959年，仙童公司的Robert Noyce发明了单片集成电路技术，以半导体硅基材料和集成电路技术为基础的芯片就此诞生。美国的产业也开始进入了以电子、航空航天、核能为代表的第三次工业革命时代。到了1980年代，随着日本的崛起，美国在半导体产业一家独大的地位遭遇严峻挑战。日本政府和企业斥巨资发展半导体，特别是动态存储芯片（DRAM）制造产业。1984年至85年，DRAM发生大规模产能过剩，价格下降近80%，使美国半导体产业遭受巨大打击。美国产业界估计，尽管当时美国的国际市场份额仍占到70%以上，但在日本冲击下，到1990年代初期，美国半导体产业的国际份额可能跌至不到30%。在此背景下，美国政府和产业开始同时行动。美国政府与日本签订了《美日半导体协议》，要求日本限制半导体产品出口。美国产业界则组建了Sematech，致力于练好内功，重建美国半导体产业的国际竞争力。

在此多说一句，日本半导体产业是不是被美国政府打趴下的，是个见仁见智的问题。美国政府是逼着日本签了协议，但日本自身也有很多问题。比如，日本的半导体产业一直停留在存储芯片层次，而未能随着计算机时代的到来向逻辑处理芯片转型。更严重的是，日本国内心态膨胀，搞出了泡沫经济，90年代泡沫破灭后经济全面陷入通缩，一蹶不振。同时韩国开始走日本路线，用高额补贴支持半导体产业发展（当然其中也有美国支持），对日本形成了竞争，后来日韩还就DRAM补贴问题在WTO打过官司。

不论日本如何，美国半导体产业要在国际竞争中胜出，归根结底还在于做好自己的事。1986年，也就是美日签订半导体协议的同一年，Sematech成立。Sematech能成立有一个不得不提的人物，就是被誉为“Sematech之父”的Charlie Spork。Spork是美国半导体产业的一位老兵，Noyce在仙童时期的同事，也是Sematech的14家创始成员之一National Semiconductor公司的CEO。在美国半导体产业最困难的时期，Spork几乎放弃了管理自己公司的业务，在美国政界和产业界到处奔走，呼吁重视半导体产业的地位和困境，主张美国产业界联合起来，在美国政府支持下，重振美国产业和技术的领先地位。1986年，占美国半导体产业产值80%的14家企业，包括英特尔、IBM、美光、惠普、AT&T微电子、摩托罗拉等，共同发起成立了Sematech。

Sematech尽管是由美国产业界发起成立，其管理和运行却是由美国政府和产业界共同实施的。Sematech被美国国防部高级研究项目局（DARPA）纳入了支持范围。DARPA代表美国政府成为Sematech的管理机构，并为其设置了专项经费，每年1亿美元。如果按照3%的通货膨胀率计算，1986年的1亿美元大概相当于现在的2.42亿美元，约17亿元人民币。Sematech首期charter的期限是5年，除DARPA给的1亿美元外，各创始成员每年再集资1亿美元，5年加起来共10亿美元预算，Sematech实际花了大概9.9亿。

Sematech的核心任务是就未来中短期半导体制造相关技术进行研发和产业化（commercialization）。为此，Sematech主要干了这样几件事：一是在得克萨斯州奥斯汀市建立了总部，成为了一个类似公司化运营的独立组织。在总部旁边，Sematech建立了一个半导体制造技术试验基地，相当于一个微型工厂，随时进行新技术的生产试验。

二是选择了Robert Noyce作为Sematech的首任CEO。Noyce将各创始成员出于自身利益提出、但对Sematech而言过于繁琐冗长以至于根本不可行的初始研发意向，整合提炼成了切实可行的研发方案。同时，Noyce凭借其平易近人、务实专业的克里斯玛型领导风格，和令人高山仰止的半导体产业江湖地位（作为仙童和英特尔的双料创始人），使各成员企业愿意贡献出资金和研发人员，与具有竞争关系的同行业企业协同创新。

三是Sematech定期召开通气会，交流研判技术和产业发展趋势。这种高质量行业信息资源对于Sematech中的小企业成员具有很高价值，实现了信息和技术在全行业的扩散共享。

四是在成立两年后吸收了SEMI/Sematech。SEMI/Sematech是从国际半导体制造设备协会中衍生出的一个组织。Sematech在研发过程中发现，要突破半导体制造技术，很大程度上有赖于掌握先进的半导体制造设备。国际半导体制造设备协会成员中包括很多非美国企业，而DARPA给Sematech的钱不允许资助外国企业，于是就从国际协会中单独成立了全部由美国半导体制造设备企业组成的SEMI/Sematech，大约包括140个成员，一起加入了Sematech。

五是由内部研发为主转为内部与外包研发并行。在建立初期，Sematech以内部研发为主，由各创始成员贡献出的研发人员承担研发任务。在DARPA的支持和鼓励下，Sematech逐渐将研发任务外包给半导体制造设备企业、美国国家实验室和在大学建立的卓越中心（Center of Excellence），有效整合了与半导体相关的产学研各界力量。值得一提的是，在外包给企业进行技术开发时，Sematech通常要求企业进行至少一半的资金配套，以提高企业取得开发成果的积极性。

Sematech在研发方向上经历过一次重大调整，从半导体制造技术转向半导体制造设备技术。最初Sematech主要研发半导体制造技术，即如何改进制造流程和更好使用制造设备，相当于现在台积电和中芯国际所做的业务。到1989年至1990年左右，Sematech开始将研发重心转向半导体制造设备。做这个转变有几方面原因，或说好处：

一是如前所述，Sematech通过密集的行业调研和实践发现，半导体制造技术的提高很大程度上有赖于制造设备的改进，而当时在研发新一代光刻机的过程中又遇到了意想不到的困难，促使Sematech开始重视制造设备相关技术。

二是重塑上下游关系，加强半导体产业链。1960至1970年代，美国的半导体制造设备企业处于上游垄断地位，具有很强的议价权。因此，当时是由设备企业和使用设备的制造企业共担半导体制造设备的开发成本。后来日本半导体制造设备崛起，美国的设备企业失去议价权，被迫独担开发成本，致使利润降低，企业缺少进一步投入研发的资金，导致竞争力进一步下降，形成恶性循环。Sematech成员以半导体制造企业和半导体应用企业为主，研发重心转向制造设备，实质是重塑了良性的半导体产业上下游关系，提高了产业链韧性。

三是有利于促进成员间的合作，避免竞争。由于Sematech成员均有各自的半导体制造技术路线，强行研发统一的技术路线既无必要，也不符合成员利益，容易造成矛盾。而改进半导体制造设备性能符合成员共同利益，容易凝聚共识。

Sematech为制造设备开发设立了“联合开发项目”和“设备改进项目”。“联合开发项目”由Sematech成员与制造设备企业合作，开发未来半导体制造所需的设备、材料、制造流程，如晶圆清洗、缺陷检测、光学步进器、化学气相沉积等技术。“设备改进项目”主要改进现有半导体制造设备的性能和可靠性，以适应当前和未来技术发展，降低制造流程成本、设备制造难度和设备维修费用。承接研发项目的设备企业将研发成果在Sematech总部实验室或Sematech成员工厂进行验证，获得使用意见反馈，再不断进行改进。著名的半导体制造设备企业Lam Research在两个项目中均有参加。

Sematech总体上非常成功，到第二个charter即将结束时，也就是1995年左右，美国半导体产业已全面恢复在国际上竞争力。特别是在半导体制造设备领域，美国的控制性地位至今无人能撼动。这是在Sematech领导下美国半导体产业上下游协同创新的重要成果。

最后特别值得总结的是美国政府，即DARPA在Sematech成功中所发挥的作用。政府与市场到底是什么关系，如何“更好发挥政府作用”，一直是极易引起争议的话题。在科技创新中，这个问题尤为重要。长期以来，美国政府一直宣称自己是小政府，主要是支持基础研究，为市场创设良好制度环境，并公正执法。到底是不是这样，从DARPA在Sematech的作用中可以一窥端倪。

首先，美国政府对特定产业有没有补贴？有，而且还不少。从绝对值上看，DARPA给Sematech每年1亿美元，相当于现在17亿元人民币。估计现在我国由政府给单一技术开发项目每年17亿，连给5年的情况都不会太多。从比例上看，DARPA给的资金占Sematech总预算的50%。WTO《补贴与反补贴措施协定》第8条（尽管已失效）规定的政府给竞争前开发项目的研发补贴比例上限就是50%，美国正好卡在这条上限上。

其次，政府的补贴补什么？以Sematech的经验，简单说，补中短期技术开发。这是一个比较反常识的结论，但从Sematech的经验看，却是有一定道理的。从企业的角度看，绝大部分企业对基础研究，甚至应用研究都没有兴趣，因为创新链条太长，研究成果转化成产品的不确定性太大，而企业真正感兴趣的是能带来实际利润的创新产品。这决定了大部分企业对投资于能带来创新产品的中短期技术动力最大，Sematech成立之初就定下了中短期技术的开发目标，DARPA支持的也正是中短期技术。美国国会甚至在其关于Sematech的研究报告中明确指出，美国政府上世纪70年代以来的一系列研发投资能取得成功，正是因为支持了企业最感兴趣的创新产品开发。从政府的角度看，必须守住的一条底线是，要支持真正的技术开发，哪怕是中短期技术，也一定要有创新的技术开发，而不能只支持产品生产。政府资助没有技术开发的产品，哪怕这个产品属于一个听起来很新兴的行业，也只是在支持扩大低端产能，最后极有可能成为违反国际规则的可诉补贴。

再次，政府补多长时间？对于要产业化的高技术开发项目，5-7年是可参考的时间限。DARPA给Sematech的补贴到1996年全部退出，主要补贴集中于1987至1992年的5年间。92-93年左右，Sematech已在很大程度上使美国半导体产业恢复了竞争力，企业已可以在自主资源的基础上实现良性循环。从DARPA作为美国重要的高技术开发资助机构的自身经验看，DARPA项目的期限通常为6年，行就行，不行就换方向。

最后，除了补贴政府还可以干什么？深度参与组织管理。DARPA在Sematech建立初期的组织管理工作对于Sematech的成功至关重要。跟很多初创组织一样，Sematech在成立的第一年非常混乱，成员不知道要干什么，还有竞争关系，相互提防。DARPA非常重要的一个贡献是帮助Sematech选择了Robert Noyce作为第一任CEO。选择Noyce与DARPA为自己的研发项目选项目经理的思路几乎完全一致：要懂技术、要有产业背景和人脉、要懂管理、要有企业家的开拓精神。跟一个成功的初创企业的创始人需要具备的素质没有区别。这样的人才非常难得，但却是一个重要技术开发项目/组织成功所必需的要素。后来Sematech搞研发外包和研究方向转型，也都有DARPA在背后推动。

今天，中国的半导体产业正面临着比美国当年更加严峻的危机。美国能这样卡我们，是它背后有产业实力做支撑；它能有这样的产业实力，是它曾经做了正确的事情。愿我国能取长补短、化危为机，走出一条中国半导体产业的自主创新之路。