一家日本的味精厂造成全球芯片短缺，真相竟是这个……
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近日，全球缺芯潮导致芯片价格不断上涨，甚至影响到了苹果等巨头的手机出货。让人意想不到的是，全球“缺芯潮”的重要原因之一，竟然是一家日本味精厂的产能不足。先暂不讨论一家味精厂能否果真卡住全球半导体产业的脖子，但在日本确实存在这么一家企业——味之素集团，它以味精起家，成长为全球半导体行业不可忽视的材料供应商。他山之石，可以攻玉，这个故事对于我国半导体产业发展或许有新的启示。
撰文 | 周康林
01
味之素的创立：谷氨酸钠的故事
味精的主要成分是谷氨酸钠，这是一种提取自海带、大豆等植物之中的化学物质。1908年，日本帝国大学的化学教授池田菊苗率先发现这种神奇的鲜味物质，并与一位名叫铃木三朗助的日本商人合作，共同成立公司，将产品命名为“味之素”，这便是味之素集团（Ajinomoto）的前身。
“味之素”一经问世便受到了大家的欢迎，时至今日，味精已经成为每家每户必备的日常调味品。味之素集团也随之发展壮大，将产品扩充至汤料、冷冻食品、氨基酸等领域，产品销至100余个国家。2020年5月，味之素集团名列2020年福布斯全球企业2000强榜第1505位。
作为一家调味品、食品领域的企业，味之素是成功的，但同时也是典型的，发展路径并没有特殊之处。又是什么让公司口号为“Eat Well, Live Well”的味之素走上半导体材料这条“不务正业”之路呢？
02
味之素转型：从味精厂到半导体细分材料龙头
味之素集团在机缘巧合下发现，制作味精的类树脂副产物具备极佳的绝缘性能，似乎具有成为半导体绝缘材料的潜质。1996年，味之素公司对此新材料进行技术立项，开始了一场“味精厂大冒险”。
芯片又名集成电路，顾名思义，就是将数以亿计的晶体管集成于一块小小的芯片之中，通过晶体管的关断和开启分别表示“0”和“1”，从而传递信号、传输数据，以实现复杂的指令。而在连接芯片内部纳米级电路和芯片外部毫米级电路的时候，就必须考虑电路之间的干扰问题，使用绝缘材料进行封装。而传统的绝缘材料是液态的绝缘油墨，需要对电路表面进行喷涂、晾晒、干燥，工艺非常复杂，并且由于喷涂均匀性、覆盖率较难精准控制，绝缘效果并不理想。
在新型绝缘材料的开发上，味之素集团当时的开发负责人竹内孝治（Koji Takeuchi），他跳出油墨材料思维定式，认为薄膜材料才是未来的方向。但在当时的技术环境下，一直没找到符合产业化的薄膜材料。
此时，团队中一名叫做中村茂雄（Shigeo Nakamura）的年轻员工，选择了一种需要深度冷冻的树脂。这一树脂竟然完美符合理想材料的各种特性。随后，中村茂雄不断地拜访机器制造商，终于找到了适合的将绝缘树脂薄膜层压到基材上的机器。最终，团队在短短四个月内就完成了原型与样品开发。革命性的味之素ABF材料（Ajinomoto Build-Up Film），又称“味之素堆积膜”，便从此诞生，将其用于芯片封装，大大提升了产品良率。
然而，即使找到了理想的绝缘材料，味之素集团仍面临更为严峻的市场关。在研发成功后的近三年时间内，团队都没有为ABF材料找到市场。究其原因，第一，当时半导体产业已经习惯液态油墨作为绝缘材料，对硬质的ABF材料一时间难以适应；第二，ABF材料面临着强有力的竞争对手——由德国拜耳化学、日本三菱瓦斯化学共同研发的BT树脂材料，两家公司都是具有深厚技术积累的化学材料巨头；第三，味之素，一家味精厂，卖卖味精还可以，突然来做半导体材料，似乎怎么说也“名不正言不顺”，没有半导体公司为其背书，短时间内无法获得业界信任，难以进入材料供应体系。在味之素后来拍摄的ABF研发纪录片中有一个情节，在竹内孝治和中村茂雄带着样品拜访客户时，门口的保安一听说他们是味之素集团的，直接指着旁边楼上的小餐厅对他们说，顺着楼梯走就到了。市场的冷遇无疑给团队带来了巨大的挫败感。
这时，英特尔（Intel），当时全球最大中央处理器制造商出现了。1999年，英特尔已经是一家市值超过5000亿美元的巨无霸公司。同年，英特尔发布 Pentium Ⅲ 500MHz处理器，采用0.25微米工艺，CPU核心由950万个晶体管组成。随着计算机操作系统从DOS向Windows转变，个人计算机终端需求越来越大，CPU制程越来越精密，绝缘油墨已经很难满足精细电路的要求，英特尔为寻找理想的新绝缘材料而感到十分头疼。
直到英特尔发现味之素ABF材料，才得以一缓燃眉之急，迅速与味之素建立了合作。从此，一家味精厂与全球最大的CPU厂商发生了奇妙的交集，创造了一个半导体产业的传奇故事。至2021年，ABF材料已经取得了巨大的成功，而中村茂雄，也从基层员工成为了味之素精密技术公司的总裁，二十余年光阴的一场豪赌，终于见到曙光。
ABF材料的推广也并非畅通无阻，随着21世纪智能手机与移动互联网的浪潮到来，电脑出货量不断下降，而ABF材料适用于电脑使用的CPU，在早期智能手机之中没有用武之地，价格也相对其他材料更为昂贵，不占优势。ABF材料又再次陷入低谷，前景渺茫。直到后来，AI、大数据、云计算等技术使得高性能计算成为趋势，CPU的晶体管密度越来越高，唯有ABF材料能跟上半导体先进制程的工艺进步，达到超细线路、超细线宽/线距的需求。此时ABF材料应用市场才重现曙光，直至今日，在计算机、智能手机、5G通信、自动驾驶汽车、云计算、物联网设备之中，ABF材料都是不可或缺的关键成分。
03
ABF材料推动了半导体产业发展进程
事实上，ABF材料对半导体产业的影响，远不止于此。可以说，ABF材料直接引领了半导体先进封装的进步。
芯片主要解决的是“计算”的问题，但要想接收运算指令、输出运算数据，正常发挥功能，就需要与外部电路进行连接。所以，芯片是被安装在印刷电路板（PCB）上的，PCB相当于芯片的底座，其上往往有几块甚至几十块芯片，PCB上也有密密麻麻的布线，从而起到连接各个电子元件的作用。如果说一块芯片是一个“城池”，那PCB上的布线就是“城池”之间的“道路”。
但是，芯片怎么与PCB之间建立连接呢？之前，芯片与PCB之间多使用“引线框架”连接，也就是简单粗暴地使用金属丝将芯片的引脚与PCB连起来。而现在，在芯片的先进封装工艺里，“封装基板”的存在感越来越强。
封装基板（Substrate）也叫做IC载板，相当于芯片与PCB之间的桥梁，将芯片与PCB互连所需的电气结构全部封装为一体。目前芯片的制程达到了5纳米，而PCB的制程还处于毫米级，就像溪水东流入海还需要经过江河一样，芯片到PCB也还需要封装基板进行中间过渡。
而封装基板的基材，正是用的ABF材料——通过对ABF板进行蚀刻、镀铜等操作，形成一层又一层的导电图形。使用ABF基材的封装基板，最低可达到5/5微米的线宽/线距，可以说是“微雕”级别的水平了，实现再复杂的电气结构都不在话下！ABF封装基板基本上已经成了当今CPU、GPU等高端电子产品的指定“御用”材料和标准配置。从这个角度，ABF材料直接推动了半导体先进封装的进步，也加速了芯片高复杂度、高集成化的演变趋势。
04
ABF材料真能卡住全球半导体产业链脖子吗？
据国内最大晶圆代工（可以理解为芯片制造）企业中芯国际的内部人士透露，“目前，ABF基板的订单交付时间已经由原来的8周左右延长到超过30周。”也有产业链消息称，自2020秋季起，全球最大晶圆代工企业台积电的ABF存货就已不足，ABF材料缺货可能会持续到2022年。
疫情影响叠加下游芯片需求突然增长，牛鞭效应使得供需紧张度在产业链上的传导存在滞后。味之素并不能马上扩产，ABF产能从立项规划、产能爬坡到满产状态也至少需要一年以上时间。ABF材料的供不应求，确实一定程度上影响了芯片的出货，尤其是高端硬件的出货。
ABF材料真能卡住全球半导体产业链脖子吗？先说结论，卡了，但没有完全卡。
如果说“卡脖子”的定义是，缺货就造成全球半导体产业链的瘫痪，那ABF材料并没有如同阿斯麦公司（ASML）生产的光刻机一样的魔力，因为毕竟还有BT树脂、MIS树脂等其他替代材料，其他的类ABF材料也有不少厂商在跟进研发之中。但是，不可否认的是，其他材料目前的性能、成本都无法与ABF材料匹敌，若ABF材料缺货，短期内很难有一种材料能够对其完美替代。
换句话说，如果味之素集团从此刻凭空消失，全球高端硬件的出货数量与出货质量也许会在5年或者更长的时间周期中受到不小的拖累。但是，倘若给其他公司足够的时间、资金、人力进行研发，让性能更优的ABF材料重新问世也并非不可预期的事情。
半导体与芯片，本质上就只是一种蕴含着高技术含量的商品。可以说，任何一种核心材料、设备都可以从“商业垄断”与“技术垄断”两方面进行分析。
“商业垄断”角度：以味之素为例，味之素ABF材料在商业上形成了一种“自然垄断”。最初，味之素用于技术研发、设备购买、产能建设的固定投入是非常之高的。由于规模效应，味之素ABF材料的生产边际成本在一定范围内是递减的，也就是说，ABF材料下游订单数量越大，越能摊薄味之素集团的固定投入，每多生产一单位ABF材料带来的新增成本就越低。这样一来，味之素也可以压低其ABF材料的销售价格，其他企业若贸然进入，必将承受高固定投入与长期持续亏损的压力。此外，半导体材料供应多采取“供应商认证”制度，新材料的转换成本高，验证流程复杂，味之素多年积累维护的客户关系也是其地位牢固的原因。从而，不少企业都望而却步，在投入产出核算的“经济账”的角度，味之素已经形成了“商业垄断”。
“技术垄断”角度：味之素对ABF 材料的研发已经持续了近30年，积累了数量庞大的专利，其他企业若想研发，只能从0到1、白手起家，再走一遍当年味之素走过的弯路。就算最终研发出来了，性能、质量也很难达到味之素ABF材料的水准。更为典型的“技术垄断”例子，是芯片光刻机、航空发动机、操作系统、工业软件等等，其背后的基础理论复杂度、技术领先优势、生产工艺难度都比ABF材料高了不止一个量级。而这些，才是我们更需要集中力量攻坚克难的领域。
05
从味之素研发ABF看我国半导体产业发展
味之素研发ABF材料的故事，充满戏剧性和理想主义色彩。而我们对待ABF材料的态度，既不能以“外强叙事”的口吻进行神化，也不可轻视自大。从中也许可以得到我国半导体产业乃至硬科技产业发展的几点启示。
启示1:
“商业垄断”与“技术垄断”并非完全割裂，而是存在着紧密联系，甚至可以互相转换。最初，技术优势可能会带来成本/产品性能优势，助力企业在市场上获得竞争优势，加速商业垄断的形成。而商业垄断给企业带来的持续资金流入、客户反馈、商业生态，给了企业再研发、技术迭代升级的动力，经过时间积累，技术优势最终形成技术垄断。
启示2:
重视基础研发与应用研究，啃硬骨头。味之素集团从上世纪70年代就开始对环氧树脂及复合材料进行基础研究，厚积才能薄发，有了深厚的基础研究积淀，才会有后来ABF材料的成功。虽说有机缘巧合的因素，但一家味精厂尚有如此担当与远见，着实让人肃然起敬。万丈高楼平地起，在硬科技领域，由最初基础研发带来的技术优势，是后来所有辉煌商业故事的源头。
在国外已经形成技术壁垒的领域，正视国内外技术差距，知耻后勇。由于起步慢、底子薄、西方政治封锁等因素，我国在半导体领域，尤其是设计软件、材料、设备领域与国外差距较大。如何打破核心领域技术壁垒，是一件涉及资金、人才、时间的复杂系统工程。板凳要坐十年冷，要正视国内外技术差距，摒弃“造不如买、买不如租”的思维，做好几代人持续接力追赶的准备。
启示4:
在国外尚未形成技术壁垒的新兴领域，重点聚焦，弯道超车。在一些新兴领域，国内外尚处于同一起跑线，甚至我国还具备后发优势，这给予了我国赶超的契机。例如，中国有着全球最优质的通信环境和最发达的互联网，这样的沃土诞生了华为、中兴等通信设备巨头，也使得中国的通信技术、人工智能技术、云计算技术走在世界前列。此外，技术路线的颠覆，也可能给予新进入者以机会，例如味之素ABF材料就是以固态薄膜替代液态油墨，而阿斯麦光刻机则以“浸润式光刻”替代“干式光刻”，新兴技术路线有机会对传统技术路线产生“降维打击”。
启示5:
融入全球产业链与商业生态，实现融合式、嵌入式发展。全球产业链半导体已经发展到了极度复杂、精细分工的状态。一个小小的芯片组件，可能就是一个微缩的“地球村”，芯片设计可能在美国、中国，芯片的硅晶圆片可能来自日本、韩国、德国、法国、芬兰，芯片生产可能在中国台湾，光刻机来自荷兰，光刻胶、溅射靶材来自日本。各国通力合作，你中有我，我中有你，像链条一样环环相扣，任何一环的断裂都会对整个产业链造成不可忽视的影响。换言之，任何一个掌握核心环节之一的国家，哪怕这个环节很小，也能够拥有对整个产业链“一票否决”的话语权。
一个典型的例子就是日本，日本1990年在全球芯片市场的份额达到惊人的90%，而现在只有10%不到，在半导体领域的影响力似乎逐渐式微。但值得注意的是，日本目前占全球半导体材料市场份额达52%，占全球半导体设备市场份额达37%。在硅晶圆、光刻胶、键合引线、引线框架、模压树脂等半导体材料领域；在电子束描画设备、涂布/显影设备、清洗设备、氧化炉、减压CVD设备、划片机、探针器等半导体设备领域，日本企业都处于近乎垄断的地位，有着极强的竞争力。每个细分领域，放在整个产业链之中看似乎是微不足道的，但“一招鲜，吃遍天”，整合起来就筑牢了日本半导体大国、半导体“隐形冠军”的根基。
现在，全球半导体产业向中国转移，但我国企业在关键软件、材料、设备的市占率还不高。一方面，实现全面自主可控和国产替代虽“路漫漫其修远”，但是是不可逆转的潮流；另一方面，重视基础研究、利用比较优势、把握关键环节，在细分领域深耕、突破；同时，也需要认识到芯片本质是商品，积极融入全球半导体产业生态，实现融合式、嵌入式发展，提升自身话语权。
参考资料
[1]味之素集团官网https://www.ajinomoto.com
[2] 一家日本味精厂真的卡住了全球芯片产业的脖子？https://mp.weixin.qq.com/s/giXUDOJncJUr3JlGolIjkA
[3]深度丨芯片产业顶端，日本味之素风云https://new.qq.com/rain/a/20210310A0DQ5E00
[4] 中国半导体材料行业现状，大部分高端市场仍然被欧美和日本垄断https://baijiahao.baidu.com/s?id=1704701275499865850&wfr=spider&for=pc
[5] 全球芯片短缺，根源在哪里？https://baijiahao.baidu.com/s?id=1692114124140174329&wfr=spider&for=pc
[6] 日本调味品巨头味之素：一门关于味道的生意https://mp.weixin.qq.com/s/bVwaBOmTOwQ78MWy8pKNng
[7] 一家日本工厂，竟是全球芯片荒的“元凶”？https://mp.weixin.qq.com/s/nHQCjVkKCziBVVslkjyoPQ
[8] 热点 | 全球“缺芯”，ABF材料再度引发关注https://mp.weixin.qq.com/s/tUDWOE77FF0Zo5BdDadu8g
[9] 芯片大缺货下的思考https://mp.weixin.qq.com/s/1wJhyBTxOGLs6hZm95FUPQ
[10] PCB行业分析:从PCB、IC载板到类载板https://zhuanlan.zhihu.com/p/115172285?utm_source=wechat_session&utm_medium=social&utm_oi=880030260824018944&utm_campaign=shareopn
[11] 半导体产业链全景解析https://baijiahao.baidu.com/s?id=1667931486844978125&wfr=spider&for=pc
本文经授权转载自微信公众号“探臻科技评论”。编辑：史宛琪、张陈翔；审核：张可人
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