日本半导体产业的行与不行

  2023年12月13日，2023日本东京半导体展览会上，Advantec公司展出的晶圆图像。图/视觉中国

  日本半导体产业在上世纪80年代到达顶峰后就在缓慢退步，但若简单认为日本半导体产业失败了，就是严重误解，今天日本半导体产业仍有非常存在竞争力的企业和产品。

  客观认识日本半导体产业的成败及其背后的原因，对正在全力发展半导体产业的中国，有非常强的参考价值。

  很多人认为，日本半导体产业在上世纪80年代后期超过了美国，这不是很准确。80年代日本在DRAM （动态随机存储器） 领域超越了美国，并不是半导体产业整体超越了美国。

  80年代，日本工业产品的质量稳定性和生产效率整体都赶上了欧美主要发达国家，这并不是半导体一个行业的现象。战后日本不断从美国和欧洲获得各种新技术，同时通过价格上的优势不断占领美国市场。1985年广场协议之前，日元汇率比较低，日本的劳动力成本也低于欧美，因此有价格上的优势。日本的企业管理特点也是其能赶超欧美的原因。从50年代起，日本企业就开始整体质量管理体系 （TQC） 。70年代，很多日本企业组织ND （No Defects，零次品） 活动，打造零次品的生产体系。而美国一直是采取概率论方法，达到一定的合格率就可以。这背后是美国和日本的国民性格差异和文化差异。

  上世纪90年代，日本半导体企业在全球的影响力缓慢下降。背后有三个主要的原因：

  一是美国的阻挠，其标志为1986年日美两国政府签订的“日美半导体协议”。这让日本政府无法继续大规模支持半导体产业，导致日本企业扩展速度放缓。

  二是90年代日本泡沫经济破灭，日本企业同时面临多重压力：日元大幅升值、日本国内市场饱和、企业纯收入能力严重下降。这就造成日本半导体企业设备投资不足，持续研发的能力下降。

  三是四周的国家和地区的崛起。90年代以前，半导体市场绝大多数都是美国和日本在竞争。90年代以后，韩国和中国台湾地区也加入竞争。80年代半导体工业大发展，造成大部分的半导体制造技术装置化，之前几十年的技术积累凝结在了半导体制造设备中。韩国和中国台湾企业购入相关设备，就能具备良好赶超基础。

  与此同时，日本企业也没有培育出EDA（Electronic Design Automation）企业。这和日本社会长期重制造业，轻视软件业有关，也和日本缺乏支持新兴企业的长期资金市场有关。80年代日本半导体产业如日中天的时候，日本各个大企业都是自己开发设计软件，并将其视为自己的竞争能力，不愿对外公开，这造成日本未能产生EDA企业。日本在工业设计软件、模拟软件、统计软件领域是如此，封门闭户各自单干，导致日本企业在工业软件领域一直落后美国和欧洲。

  芯片的生产的全部过程中要使用到几十种原材料，有固体的，也有液态和气体的，日本企业在大部分芯片原材料中都有很强的存在感。

  化学药品相关企业：关东化学、Resonac（昭和电工收购日立化成之后更名）、大金工业、日本Zeon、住友精化、中央玻璃、岩谷产业、三井化学、关东电化工业、ADEKA；

  半导体生产用到的各种特殊化学药业领域：StellaFarma、住友化学、关东化学、日本化药、东京应化工业、三菱气体化学、三菱化学、大金工业、森田化学工业、德山；

  半导体生产用各种靶材领域：JX金属、高纯度化学研究所、Ulvac、三井金属矿业、东曹；

  CMP研磨剂和研磨垫：富士胶片、富士见、Resonac、JSR、凸版印刷、富士纺；

  半导体材料在材料行业中属于技术壁垒非常高的领域。半导体材料对纯度的要求非常高，比如硅的纯度要求是11N，也就是99.999999999%。一个半导体工厂每天需要大量高纯度水用来做清洗。水的纯度要求也在6N以上。这种高纯度的水，不是每个国家都有能力制造。

  一是70年代和80年代日本电子行业整体非常发达。当时各个行业的日本企业都面临开拓新业务的问题，很多企业都加入了半导体材料生产队伍。比如，大日本印刷公司是成立150年的印刷企业，它转用了印刷行业的制版技术进入到掩光罩领域，成为全世界最大的掩光罩生产商。半导体材料的研发需要大量资金。日本企业普遍多元化经营交叉投入，弥补了日本长期资金市场不发达这个缺点。

  另一个因素是精密化工材料行业的封闭性比别的行业更强。不仅日本半导体材料行业，其他几个国家的高科技材料行业也一样。生产设备都是开发企业自行设计和定制的，市场上没有标准工业品。这一些企业很多时候特意不把自己的技术申请专利，而是黑箱化。后发国家除了研发之外很难模仿。

  日本最大食品企业味之素公司的ABF是半导体生产中一定要使用的材料。ABF是Ajinomoto Build-up Film的简称，即味之素堆积膜，用作CPU的在允许电压下不导电的材料，目前味之素独占这一市场。味之素中文就是味精，该公司已有100多年历史。上世纪70年代，味之素公司摸索着使用氨基酸生产中积累的技术，去开发一些新产品和新材料。1996年，味之素公司开始开发薄膜型绝缘体，四个月左右就成功了。但让半导体公司使用该材料花了三年左右时间，之后味之素公司一直独占该细分市场。味之素的护城河除了大量专利，还有大量生产的基本工艺上的技术秘密，构成了高进入壁垒。

  半导体材料的范围很广。比如在芯片生产的全部过程中，转移晶圆要使用到一种电子吸盘，目前日本的株式会社NTK Ceratec公司是该细分市场的龙头。该公司是日本工业陶瓷领域的著名公司日本特殊陶业（NTK）的子公司。

  全世界半导体制造设备的企业排名，前15名一般是这样分布的：美国6家，日本6家，荷兰2家，韩国1家。日本的头部企业如下：东京电子、爱德万、尼康、SCREEN、迪斯科、国际电气、佳能，东京精密、Lasertec、TOWA，荏原、Ulvac。

  此外，半导体工厂的搬运设备，日本企业也有很强的存在感，包括村田机械、大福、Rotze等；晶圆检查装置亦然，最重要的包含日立高科、Lasertec等；探针台领域亦然，主要是东京电子和东京精密两家企业。

  日本的半导体制造设备行业70年代起步。80年代之前，半导体行业发展的主导权在美国，而且整体产业规模比较小，那时日本主要是进口美国的设备。东京电子一直是日本最大的半导体制造设备专业公司，该企业成立于1963年，2019年的出售的收益为1.3万亿日元，其中半导体制造设备占91%，FPD （平面显示板） 制造设备占9%。该公司最初就是进口美国半导体设备和产品，后来自己研制。过去50年，东京电子从始至终保持稳定增长。

  东京电子是个比较特殊的例子。业内很多有名的公司都是在70年代以后的半导体发展大潮中逐步跨入到半导体制造设备领域的。比如尼康和佳能进入到光刻机领域，是因为之前有光学技术和精密加工技术的积累。村田机械株式会社是位于京都的公司，成立于1935年，该公司最初生产纺织机械，该业务到现在也存在。60年代村田机械开始进军物流设备领域，1979年成功开发无人驾驶自动搬运车ROBO-FAMILY，1982年开发出重物品搬运机器人，1986年开发出无尘车间的空中搬运系统，进军无尘搬运领域。

  SCREEN是具有百年历史的京都企业，该企业的源头是印刷制版。荏原 （Ebara） 是日本最大泵类生产企业。半导体制造的生产线需要大量的各种高端泵，荏原从泵 （真空泵和液体泵等） 进入到半导体行业，之后研发了CMP （化学机械抛光） 设备，目前是全球第二的CMP设备企业。日立高科是日立集团的子公司。日本企业战后刻苦研发高端电子显微镜，后来日立和日本电子 （JEOL） 占据了全球主要市场。日立高科用电子显微镜占据的半导体检测的主要市场是自然结果。

  日本的精密制造业整体都很强大，半导体设备制造业是其中一环。上世纪90年代以后，日本国用户逐步下降，但日本半导体制造设备公司依然保持了较强的竞争力。原因有三：

  二是持续的研发和产品升级。 半导体行业在不断的发展和进步，这需要设备供应商同步提高。 比如，东京电子的研发是提前4代开展的，基本上现在研发的都是十年后应用的设备；

  三是设备商和客户共进化。 高端设备不是卖了就结束了，运维也很重要。 比如一台EUV光刻机，需要ASML常年派驻六名左右的工程师驻场维护。 一台普通的光刻机，熟练掌握操作方法和技巧，也需要三个月以上的培训。 设备制造企业和用户深度绑定，一旦形成合作伙伴关系，除非有特殊原因，这个关系很难被打破。

  很多人有种错觉，我们只是光刻机不行，其他的很容易搞定。实际上半导体工厂需要上百种设备，不只是光刻机。比如真空泵和其他很多类型的泵，目前全世界内由英国的爱德华 （Edwards） 和日本的荏原 （Ebara） 占据大部分市场份额。

  这里介绍一个颇具日本特色的事例。大家都知道光刻机的硬件有三大组成部分：光源、镜头组和精密制动工作台。日本给光刻机提供光源的企业叫Gigaphoton，该公司是日本最大的工程机械公司小松制作所的全资子公司。该企业成立于2000年，之前是小松研究所的一部分。目前，Gigaphoton给2000台以上的光刻机提供光源系统。日本没有美国那样的发达长期资金市场，创新融资没有美国便捷。但日本也在不断开拓新领域，资产金额来源主要靠企业内部的交叉补贴。日本公司往往有多条业务线，盈利业务拿出一部分利润来支持基础研发和新产品研发。Gigaphoton就是典型。

  小松制作所和Gigaphoton的例子在日本非常普遍。出光兴产是日本大型石油公司，主业是石油贸易。该公司在1985年开始研发OLED材料，历经磨难后在1999年推出产品。目前该公司和德国的BASF并列，是OLED最重要的原材料提供商。最近几年，出光公司在加力研究固态电池的电解质，相关专利数量在整个世界名列前茅。

  80年代中期，尼康和佳能在光刻机领域崛起，打败了它们的美国老师。2002年，尼康的市场占有率输给了荷兰ASML。此时双方基本上没有技术差距，尼康佳能合计的市场占有率依然超过ASML。但2007年以后，双方的技术差距越来越大。

  如今ASML在最先进的EUV光刻机制造上一枝独秀。作者觉得以下几个因素比较重要：

  第一是国际竞争态势。80年代，日本半导体产业发展迅速，80年代后期市场占有率超过美国，美国后来胁迫日本签订日美半导体协定阻击日本半导体产业。日美半导体摩擦的间接结果是韩国、中国台湾和荷兰崛起。在光刻机市场，三星和台积电作为用户，当然期望有多种选择，这样自己才有议价权。2000年左右，英特尔、三星和台积电陆续成为ASML的股东，本质上构成战略合作联盟，而日本公司被排斥在外。

  第二是尼康自身和日本国内环境的变化。尼康的原名是日本光学工业株式会社，成立于1917年，是当时的三菱财阀为了生产军用光学产品 （光学测距仪和望远镜等） 而成立的公司。1988年更名为株式会社Nikon。战后，尼康的主要收入来源是照相机。90年代以后，光刻机的收入超过照相机。

  尼康进入光刻机领域是因为有光学镜头和精密机械 （包括光波干涉仪等） 的产业基础。1975年-1980年，日本通商产业省组织了“超LSI共同研究所”，开展半导体产品超精密加工基盘技术的共同研究。当时从富士通、日立制作所、三菱电机、日本电气和东芝公司抽调了上百名技术人员联合攻关。

  “超LSI共同研究所”委托尼康和佳能研发光刻机，本质上是日本政府资助尼康和佳能研究光刻机。2000年左右，美国的IT泡沫破灭，半导体投资下降，尼康经营压力非常大。如果那时尼康接受英特尔的股权投资，后来结果可能完全不同。但尼康是三菱财阀的企业，接受英特尔的股权投资不太现实。当时的整体环境，日本企业对外国企业入股非常排斥。

  日本的两家光刻机企业，从光学基础技术能力来讲，尼康比佳能强。佳能后来研发了复印机和打印机，成为公司主要盈利产品。尼康主要就是照相机和光刻机。泡沫经济以后，日本生产半导体的综合电机企业都很艰难，日本在世界半导体市场的份额也在不断下降。这种情况下，日本国内市场很难养得起两家光刻机企业，而尼康佳能又没能及时整合光刻机业务，反而继续彼此竞争。

  第三个缘由是ASML自始至终执行全球化路线，尼康则是以日本国内市场为重心。荷兰国内市场很小，90年代的欧洲也没有大型半导体企业。从最开始，ASML就必须走国际化路线。

  谈到ASML，国内媒体总是热衷于介绍美国Cymer提供了光源，德国蔡司提供了镜头等。我们对光刻机的理解不能停在这个层面。一个公司的技术持续不断的发展进步是需要市场依托的，是需要客户的不断反馈的。单纯从全世界采购优质的零部件，是打造不出完美设备的。光刻机这样的精密机械，背后的控制程序都是软件，软件的重要程度和光源镜头等硬件同样重要，ASML自己掌握软件开发。

  1982年，比利时佛兰德市政府决定培育微电子产业。1984年，地方政府、企业界和大学共同组建了非营利组织的IMEC。同时设立了半导体产品制造工厂MEITEC。第一代理事长是著名的鲁汶大学的Van Overstraeten教授。ASML和IMEC长期保持密切合作伙伴关系。1989年，ASML给IMEC交付248纳米的光刻机。1989年，提供193纳米的光刻机。2003年，提供157纳米的光刻机。2004年，交付了液浸式光刻机。2006年，交付了第一台EUV原型机。在ASML发展的初期，IMEC给ASML提供的技术上的支持和反馈，对ASML的发展影响巨大。

  2000年以后，ASML和全球最大的三个光刻机用户，美国英特尔、韩国三星、中国台湾的台积电构成了相对来说比较稳定的联盟，至此大局已定。

  尼康初期的技术积累比较多，日本国内市场也比较大，因此尼康走的是国内协作路线年以后，日本终端用户不断减少，尼康收入不断下降，研发投入就跟不上。实际上，尼康2007年就造出了EUV样机，只比ASML晚一年。样机是为日本的研究组合Selete研制的。Selete是日本国内主要的十家半导体公司在1996年每家出资5亿日元设立的半导体技术共同开发公司。十家公司分别是：富士通、日立制作所、松下电器、三菱电机、NEC、冲电气、三洋电机、夏普、索尼、东芝。

  后来的发展形态趋势很明显，尼康败给了ASML。EUV光刻机一台价格超过1.5亿美元。研发这样的设备，费用可想而知。假如没有资金补助，尼康不会冒险研发。但日美半导体协定限制了日本政府的行动能力。不过，尼康除了芯片用光刻机，2006年之后还有一个主要的收入源——FPD光刻机，也就是生产液晶面板时使用的光刻机。在这样的领域，尼康和佳能一直占据着主要市场份额。

  日本在半导体制造设备与半导体材料领域一直坚挺，除此之外，日本也仍有一些半导体产品在整个世界范围保持着比较强的存在感。主要是CMOS Image Sensor （也就是把光信号转换为电子信号的半导体产品，主要用在数码相机和智能手机摄像头等领域） 、功率半导体 （在各种设备中控制电力的半导体产品） 、NAND Flash Memory，汽车用微处理器 （控制包括发动机在内的各个功能单元的微处理器） 、LED （LED灯也是一种广义的半导体产品） 。

  这几种半导体产品日本企业能顽强地坚持到现在，有两个最重要的原因：（1）稳定的应用场景；（2）技术原创性和产品化都保持领先。

  稳定且逐步扩大的应用场景很重要。半导体产品必须应用到某个具体的产品当中。90年代以后，日本顽强存活下来的几个半导体产品在日本国内外的市场都是稳定增长的。

  案例1：CMOS Image Sensor。CMOS Image Sensor与日本数码相机在90年代以后的崛起紧密关联。双方相互支持，良性互动。战后，日本照相机行业蒸蒸日上，以尼康为代表的日本照相机品牌风靡全世界。90年代以后，日本的照相机企业和电机企业陆续都进入到数码相机领域，日本企业自始至终占据了全球数码相机90%以上的市场占有率。丰厚的市场回报给索尼公司更多的研发动力，CMOS Image Senor的性能的逐步的提升，提高了数码相机和手机的魅力，创造了更大的市场，是一种标准的良性互动。其中，索尼公司早在70年代就开始CCD的研发和应用，在这样的领域一直不断的积累和进步。

  案例2：汽车用微处理器。1980年，日本汽车产量达到1000万台左右，成为全世界最大汽车生产国。汽车用微处理器和美国的环境管制以及70年代的石油危机有密切关系。美国在1970年推出了《1970年大气净化修正法》，也就是俗称的“马斯基法” （Muskie Act） 。该法案对汽车尾气排放提出了苛刻的减排要求，很多汽车公司都认为不可能实现。美国的一些汽车公司开始委托日本公司开发控制汽车发动机喷油和排气再燃烧的微处理器。东芝公司经过5年多努力，在70年代末成功为福特公司研发成功这种微处理器。之后该技术转用到了日本各汽车公司。日本的瑞萨半导体顽强的活下来，主要是因为其基本的产品都是车用半导体。

  案例3：功率半导体。目前全球功率半导体前十大企业来自德日美三国。德国的英飞凌最强，遥遥领先。日本企业在十强中占据四五席，一般为东芝、三菱电机、富士电机、日立、罗姆。这几家企业除了罗姆公司是专门的半导体公司，其他几家都是“综合电机”公司，也就是类似德国西门子那样的多元化公司，英飞凌就是从西门子分出来的企业。

  功率半导体和DRAM等半导体产品的技术路线有很大不同，该领域日本形成了正循环态势。比如东芝公司在1981年就推出了全世界第一台变频民用空调，变频装置的核心就是功率半导体。90年代，日本最早在铁道车辆和新干线车辆导入了IGBT，极大促进了铁道领域的节能。

  案例4：LED。90年代以后，日本主导了LED相关领域的发展，根本原因是日本科学家在90年代初期突破了蓝色LED技术。三原色当中，蓝色发光LED是最后突破的。2014年，因为在蓝色LED上的贡献，三位日本科学家赤崎勇、天野浩、中村修二获得诺贝尔物理学奖。中村修二所在的日亚化学是位于日本德岛县的一个小规模化学企业，因为LED的发展，该企业连续增长了20年。

  案例5：NAND Flash Memory。东芝公司在该领域从始至终保持强竞争力，最重要的原因是该产品就是东芝发明的。东芝的舛岡富士雄在1984年左右发明了NAND Flash Memory，东芝在这方面的技术优势一直到今天。

  进入2023年，日本的东证指数恢复到了1990年泡沫经济尾声的高峰。日本东京核心地段的土地价格在2021就恢复到了1989年最高峰时期的水平。那么，日本的半导体产业能恢复80年代和90年代的荣光吗？作者觉得：日本半导体行业的下滑已经停止了，今后大概率会有反弹，但不会再现往日辉煌。

  日本半导体行业停止下滑的最重要原因是国际环境的变化，也就是中美之间的摩擦和台湾海峡局势的紧张。在这个大背景下，日本的战略地位发生了一些微妙的变化。以美国为首的西方国家对于过分依赖中国台湾地区的芯片代工和封装有比较强的危机感。同时，日本政府把握机会也推出了一些补助政策，支持台积电在日本熊本县设立工厂。2022年，日本成立新的国策半导体公司Rapidus，该公司预计在北海道设立工厂。

  不仅日本不会恢复过去的荣光，美国也不会。80年代，半导体产业基本是美日两国企业的天下。现在，全世界主要国家的企业都在这个行业角逐。这个国际的大竞争和大分工在90年代就开始了。例如，在前十大半导体软件企业中，美国有四家，英国有两家，中国有两家，加拿大有一家，以色列有一家。分别是ARM （英国） ，Synopsys （美国） ，Cadence Design Systems （美国） ，Imagination Technologies （英国） ，CEVA （以色列） ，SST （美国） ，VeriSilicon （中国） ，Alphawave （加拿大） eMemory Technology （中国台湾） ，Rambus （美国） 。

  在全球经济高度专业化分工的时代，我们平常不认为有半导体产业的国家，也有半导体行业的隐形冠军。比如奥地利这个看似与半导体毫不相干国家，也有两家隐形冠军企业，IMS纳米制造公司 （IMS Nanofabrication） 和EV集团。IMS公司是多光束掩模写入器的全球领先企业。我们都对EUV光刻机津津乐道，但EUV光刻机使用的光刻掩模的制造精度比EUV还要高，是通过电子线来描画的。IMS的主要竞争对手是东芝公司旗下的Nuflare公司，2016年该公司被英特尔收购。EV集团是全球晶圆键合设备市场第一名，晶圆键合是一种将硅片键合制成芯片的精密工艺。索尼、三星、豪威制造的大多数CMOS图像传感器都要都用到EV集团的技术。

  日本今后能否在半导体产业获得更加多影响力，取决于日本半导体全产业链的研发能力，特别是在自己的优势领域能否持续研发和外延。比如，佳能和大日本印刷最近几年在积极研发纳米压抑技术，2023年10月已正式推出相关设备。如果这个技术获得成功，比起使用光刻机，制造成本会大幅度下降，就会蚕食ASML的市场份额。

  最近几年，美国不断阻击中国半导体产业的发展。作者觉得，短期中国很痛苦，长期美国可能更痛苦。道理很简单，中国是最大的半导体市场，美国的围堵会迫使中国加快半导体全产业链的国产替代，这在某种程度上预示着美国企业将丧失中国这个巨大市场。

  短期最重要的事情是稳定和美国及其他主要发达国家的关系。90年代以后，美国已经不能独自构建一个完整的半导体产业链，现在美国拉拢荷兰和日本，原因就在这里。

  中期来讲，加快导入海外人才和培养国内半导体相关人才最重要。十年之内，我们做的大部分工作都是国产替代，很多细致划分领域都是发达国家10年前、20年前已经实现的技术和产品。

  长期来讲，如果中国想占据半导体产业的主导权，就需要在基础理论上有所突破，否则很难成为半导体强国。

  在今后半导体行业的发展中，中国不是没有优势。作者觉得，目前蓬勃兴起的第四次产业革命对中国的半导体发展是一个百年一遇的机会。第四次产业革命在2020年左右拉开序幕，其中有两个主要内容，也就是DX和GX。DX就是Digital Transformation，全球经济的数字化转型，其中最重要的是人工智能。GX就是Green Transformation，全球经济的绿色低碳转型，其中最重要的是从化石能源转到可再次生产的能源。前三次产业革命都是欧美国家主导的。第四次产业革命，中国和欧美日站到了同一个起跑线。

  在这次产业革命中，汽车行业也会迎来一个百年一遇的大变局。汽车会变成一个智能化产品。目前，一个高档电动汽车要使用到1000个左右的芯片 （并不都是高端芯片） 和100个左右的传感器。新能源汽车是半导体产品最大的应用市场，中国的新能源汽车已经走到了世界前列。

  碳中和时代，光伏、风能等可再次生产的能源的占比会上升，功率半导体会有更多应用场景。目前以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体也是各国家争夺的重要领域。这样的领域，中国也处于第一阵营。

  回望过去70年，日本半导体产业高质量发展比较顺利的时候，都有比较好的应用产业，两者是一个互相支持、良性互动的关系。80年代以前，晶体管收音机、电子计算器和电视机为半导体产品提供了巨大应用市场。日本的液晶产业也是因电子计算器的应用而积累了初期技术。80年代以后是电脑，90年代以后是个人电脑、数码相机和手机。2007年以后，个人电脑和智能手机成为应用半导体产品的两个最大的产业，但日本企业丧失了这两个产业的发展主导权，这直接引发日本半导体产业复兴乏力。

  不仅日本，美国半导体产业也一样。80年代以前的半导体产品非常昂贵。美国是军工和科研部门的订单支撑了半导体产业的发展。90年代以后，英特尔长达30年位居全球半导体产业首位，是因为英特尔提供了当时最重要的半导体产品CPU。进入2023年，美国的英伟达公司成为全世界市值最大的半导体公司，是因为该公司的GPU是AI时代最重要的半导体产品。