美國半導體到底經歷了什麼？
從仙童半導體、德州儀器發明積體電路開始，到現在不過一甲子年歲，就從當年的半導體搖籃，到現在幾乎完全失去半導體製造的能力，而需要台積電來續命？
今天我們來聊聊，半導體製造為什麼回不去美國。
2022年12月6日，美國的亞利桑那州。
美國總統拜登，蘋果 CEO tim，英偉達 CEO黃仁勛，AMD CEO蘇媽，還有91歲的台積電創始人張忠謀等全球知名半導體公司的領導人齊聚一堂。
今天，他們大家之所以歡聚在這裡，是為了慶祝他們的好夥伴——台積電。
台積電計劃在美國開建的晶圓廠，終於等到了屬於它的第一台機器。
總統拜登更是直接激動的宣布製造業回來了！
等下，既然都說出了：「回來了」這個詞。
那就意味著在一定程度上，美國的半導體製造是「失去過的」。
這樣說有一定的道理，根據白宮在2021年發布的文件咱們可以看到。
美國在全球半導體製造中所占份額這幾年也是在不斷下降，從1990年的37%下降到21年的12%。甚至，如果不及時採取措施，這個數據有可能會在未來幾年裡繼續走低。
所以，美國半導體到底經歷了什麼？
從仙童半導體、德州儀器發明積體電路開始，到現在不過一甲子年歲，就從當年的半導體搖籃，到現在幾乎完全失去半導體製造的能力？而需要台積電來續命。
大家好，今天我們來聊聊，半導體製造，為什麼回不去美國？
美國製造，是如何流失的？
和咱們如今印象里充滿黃色燈光和自動化器械的半導體工廠不同，剛剛誕生的半導體，在製作過程上，還是挺「手工」的，屬於是某種意義上的勞力密集型企業。
那時候還沒有「積體電路」這個概念，想做一個電路，需要分別做出電阻、電容、電感以及二極體、三極體這些基礎元器件。
然後再用導線把這些最基礎的元件給連起來，才能做成最最最基礎的邏輯電路。
那這樣做的電路，自然是費時又廢工，同時由於連接複雜的原因，一旦動起來，穩定性的表現就算不上太好。
後來直到1958年左右，德州儀器的傑克·基爾比在研究的時候突然一拍腦袋發現，這幾個原件是可以一起生產的啊？
那有沒有一種可能，咱們能在生產的時候把這些元器件都給做在一起，那穩定性不就好多了嗎。
說干就干，在一陣科研過後，他們找到了自己的辦法。
先在鍺晶片上製造出三極體，然後再在純鍺晶體中少量摻雜做成電阻，再用反向二極體做出電容。
這樣，他們就做出了人類歷史上第一個積體電路：一個相位震盪器。
不過，這個積體電路還沒有解決一個關鍵的問題——那就是還需要人力來將導線連接到這些元器件上。
後來，仙童半導體的羅伯特·諾伊斯在這個基礎上做出了改進，決定用蒸發沉積金屬的方法代替熱焊接導線。
這次，把連線的步驟也給一併解決了。
但是這樣也帶來了一些新問題，那就是成本有些失控了。
仙童的工藝雖然更加優雅，但是需要用到當時更貴的矽工藝，再加上當時新技術的產量需求較小，所以價格屬於非常難以把控。
在上個世紀六十年代，一塊積體電路甚至可以賣到450美金，按照通貨膨脹來換算的話，相當於現在的兩台 iPhone15 Pro max，1T國行非海南版本的。
那，有什麼辦法可以節省積體電路製造的成本呢？
從仙童開始，
半導體製造就開始了轉移。
1959年，曾經在通用電氣任職的查爾斯·斯波克加入了仙童半導體，他的工作內容，是給公司找個新地方建廠，他們剛剛拿下了一個半導體大單子，需要大幅度的提升產量。
斯波克本來想找個地方——找一個工會勢力沒有那麼發達的地方去建廠的。
因為他的上一份工作就是被紐約的工會給攪黃的。
首先被他考慮的一個地方就是美國東北角的波特蘭市，那兒工會沒有這麼發達，人力成本也是相對便宜。
但他的同事諾伊斯則是勸他打開思路，他知道有個好地方，不但人力資源便宜，工會勢力薄弱。
而且接受一定的西方教育，講英語的話溝通起來問題不大。而且還是個自由港，可以避免不少進口，稅率方面的問題。
這個地方就是中國香港，當時的一個高度工業化的製造中心。
對當時的他們來說，做半導體和衣服其實沒啥區別。
根據斯波克的回憶，當年工人的時薪約為25美分，是美國工人的十分之一。
非但如此，「當地工人比美國工人麻利兩倍，還願意接受更艱苦的工作」。
除了對工資有些敏感。
如果隔壁廠的工資漲了5%，他們可能就會光速辭職，去街對面的服裝廠幹活。
在這樣的環境中，仙童的香港工廠於1963年正式投產，美國半導體製造，正式走出出海的第一步。
不過，當時轉移到香港的半導體製造，其實還算不上完全。
仙童將香港的一家拖鞋工廠給改造成了半導體工廠，在那兒僅僅負責把美國生產的晶圓進行封裝和測試。順帶解決了一部分的銷售任務，生產出來的晶片可以直接在香港賣到東亞各地。
最後，在美國工程師+數千名香港工人三班倒的努力下，光是1963年一年，仙童就在這個舊拖鞋廠的廠房內產出了1.2億枚半導體晶片。
這一業績不但令公司十分滿意，還給同行看著眼饞了。在美國哪裡能找到這麼便宜的人工，這麼高效的產能哦。
所以大家是紛紛效仿，後來包括德州儀器、摩托羅拉在內的其他美國公司也都開始在香港設廠。
而在品嘗到了產業轉移的美味之後，後續的展開更是一發不可收拾。更是把目光投向了人力成本更便宜的新加坡和馬來西亞。
畢竟、香港的時薪工資雖然只有美國的十分之一，但是在當時的東亞里，卻已經是最高的幾個了。
至此，將半導體生產搬離美國，已經是一個很明顯的趨勢了。
傳統的半導體製造可以分為三個大環節：晶片設計，晶圓製造，以及封裝測試。
當時的美國可以說是將封裝測試這一技術含量最低、需要耗費人力成本最高的環節給轉移到了海外。但很快，晶圓製造這個環節也被盯上了。畢竟，半導體產業，用鍊金術來形容，也毫不為過。
這是河沙，本質是二氧化矽，平時撒在路上可能都沒人會去撿，如果你要去建材市場特意買的話，170元左右能拿下一噸，可能還沒有搬運費貴。
這是沙子中比較好的那種高純石英砂，身價則是翻了數倍不止，大概需要5w美元左右一噸。
而這是一枚 intel最新發布的14900k桌面處理器，售價4999元，重量35.7g。換算下來，相當於1億4千萬左右一噸。
而製作他的原料，就是高精度的石英砂。
也就是說，只要有辦法設計出晶片，並且將它做出來，那就能賺大錢。
海岸線上的日本就盯上了晶片這塊肥差。
畢竟半導體加工這活在當時不需要消耗太多的能源，也不會占用太多的地方，對能源相對緊缺、土地資源不太夠分的日本來說簡直是直對 XP。
恰好戰後的美國也有利用扶持日本、來對抗蘇聯的想法。
得益於此，日本以低廉的價格吸收了美國的大量技術。
許多現在咱們熟悉的日本企業也都在那時候趁機崛起。
無論是電晶體、計算機、還是積體電路的這些技術，在美國人研究出來後、很快就被日本拿來研究透了，然後推出性能稍弱，但是價格更便宜的仿製產品。
這些原因導致了日本的生產技術方面一直沒拉下太多。
沒過幾年，日本就找到了啃下美國更多肉的辦法。
1966年，日本和往常一樣，準備仿照美國的 IBM，舉國之力去製造一台高性能計算器：HITAC8000。
當時的大型計算機可不是一個簡單活，IBM為了做出這台 system-360，招募了6w余名新員工、獲得了超過300項專利、攻克了作業系統、資料庫、積體電路等方面的一系列難關。
項目總共花費大約52億美元，在那個年代，相當於7艘核動力航母的造價。
而日本這個仿製項目的預算卻只有百分之一不到，（0.34億美元）還是個五年的分期計劃。
最後自然是毫無意外的失敗了。
但是研發 HITAC8000的過程中，由於這台機器對當時的記憶體有較高的要求，日本積攢了大量的全新記憶體開發經驗。
最終在1968年研究出了144位的 N溝道的 MOS記憶體。
這些寶貴的經驗積累，幫助日本在隨後到來的 DRAM時代立積累了大量的經驗。
當 Intel最終推出成熟的 DRAM產品 C1103之後，日本跟著用最快的速度喝到了一碗湯， NEC也在次年推出了類似的晶片
可能很多人對日本半導體的崛起會帶有一定的疑惑。
一個現在隨處可見的 DRAM，為啥能把美國一眾大廠給打趴下？
但在當時、存儲數據可是一個大難題，老的電腦甚至還在用磁芯記憶體，讀寫速度、物理存儲和可靠性都不大不如 DRAM。
舉個例子，就像今天如果某家公司發布了能量密度比現在高一倍的電池，其他參數也全是優點，在電池儲能上獲得了革命性的突破。
明年可能所有友商都想用上這個電池。
可想而知這個市場有多大，英特爾美美吃肉，日本淺淺的喝湯。
在這樣一個研發的過程中，半導體行業的生產過程，也從過去的勞動力密集型產業，轉型向了資產密集型產業。
曾經需要女工拿著顯微鏡才能完成的焊線工序，現在只需要用自動焊線機就能完成，一個工廠、100台機器，甚至只需要10個人來操作。
而後續更是安排上了超靜車間和無塵室，直接將產品的良率大幅度提升。
再往後的故事，就是我們熟悉的那個了。
多年的技術累計，讓日本 DRAM無論是良率還是價格，都遠遠優於美國的產品。
各家企業也是在配合中大顯神通，這一連串技術整合下來。一舉占據了 DRAM市場90%的份額，那些美洲大陸的科技企業更是被打的丟盔棄甲。
甚至就連發明了 DRAM的英特爾都被打的退出 DRAM市場，要不是中途 IBM拉了一把，可能就得淪落到破產或者是被收購的地步了。
直到這時候，美國政府才後知後覺的反應過來，開始對日本半導體重拳出擊。
從通過立法認定日本半導體行業傾銷，到推動設立全球化分工的半導體行業來瓜分日本市場。
這段內容咱們之前也做視頻聊過，就不再贅述了。
美國這頓操作下來，日本的半導體行業不能說一落千丈吧，但至少發力的勢頭算是給按住了。
但隨之也帶來了新的問題。
日本這邊被錘了，晶片也不能沒人造吧。
自己造是不太可能的了，又貴又麻煩，但是也不能全權讓別人來代工，免得自己被人卡脖子。
在這個關鍵時刻，台積電站了出來，直接開始大聲嚷嚷：
「沒事，我能造，而且我只負責代工，你們只要管自己的設計就成」
如果說美國當年高額的人力成本、嚴苛的工會是給半導體製造產業的外遷挖了一個坑的話。
那如今台積電主導這種模式，可以說是給美國的本土新工藝的製造蓋上了一杯土。
只負責晶圓代工、不負責晶片設計，這種方式可以說是完美符合美國企業的胃口。
他有兩個明顯的優點，一方面是降低了晶片設計廠商之間的內耗。
過去大家為了保密自家做出來的晶片方案，都得藏著掖著不給別人設計，只能自建產線生產。
但現在不一樣了，台積電是一個"與世無爭"的晶圓代工廠，不涉及晶片設計，大家都可以把最新的晶片設計交給我代工，不用擔心泄密。
而且台積電本身還變成了一個實踐家，每家的晶片都做一下，就可以做完後總結一下這次哪裡的工藝沒做好，需要提升哪些方面，然後用在下一輪的優化設計里。
另一方面則是降低了晶片設計的准入門檻。
後續入場的新玩家，不用花重金用於研究晶片製造，只要能設計就行，製造方面的問題都可以交給台積電。
這個模式可以說是運行的非常完美，也持續運行了幾十年，不過現在看來，唯一的問題可能就是台積電發展的實在是太好了。
這部分「外包」的代工產業鏈，已經被他們內卷出了無形高的技術壁壘，讓新入局的人難以找到門道。
早年美國為了追求低廉的人工成本來將產業外移、而現在這部分產業在海外進行可開花結果，自己已經過上了完善的生活。
如果沒有地緣政治問題的話還好，但是這次美國在制裁天，制裁地之後突然回過神來，現在能依靠的先進位程廠，只有台積電一個了。
現在突然想要人為手動的轉移台積電的產量，付出的成本就不一樣了。
那麼問題來了，
就算台積電真的搬遷回去了，
能幫美國解決好先進位造的部分嗎？
想搞清楚這個問題，我們得先看看台積電把那些工廠給搬過去了？
根據台積電董事長劉德音的說法可以看到，亞利桑那州廠第一期預計2024年開始量產4nm晶片，而二期廠房也會同步開始建設，預計將在2026年開始生產3nm晶片。
全是晶圓廠，並沒有計劃建設封裝廠的部分。
啊對，當年封裝是低端產線，但是現在早已「龍王歸來」。沒錯，「先進封裝」也是封裝。
簡單來說，先進位程可以決定一枚晶片的性能可以發揮的有多好，而先進封裝要做的事情就是幫助多枚晶片儘可能的放在一起，讓他們能聯手起來發揮的更好，達到1+1大於2的效果。
比如蘋果當年令人驚艷的 M1 ultra，就是藉助先進封裝的工藝來將兩枚晶片連在一起，實現了2.5 TB/s的數據通信量，完美發揮了膠水晶片的性能。
英偉達的算力皇冠 H100，也是依靠先進封裝實現的 HBM記憶體，以此獲得了在顯卡上更好的性能和更低的功耗。
但是這些牛逼哄哄的技術，在美國都用不了，就算亞利桑那州的晶圓廠開工一路順風，造出來的晶片也必須送回台灣才能進行進一步的封裝。
這個成本已經沒有多少優勢了，不過、先別說這個八字還沒一撇的封測廠了，就連在建設的晶圓廠，其實也是一波三折。
在 Q2的電話會議上、台積電的董事長劉德音就表示，這美國的工人，熟練度不夠啊。
「由於美國當地熟練工人短缺，公司可能不得不從台灣地區臨時調入有經驗的技術人員，這將使第一家工廠開始量產的時間推遲到2025年。」
現場的美國人也開始開始甩鍋，給出了相反的說法：
「指責台積電在建廠的過程中管理混亂，也沒有做好很多安全措施，導致他們沒法順利開工。」
好傢夥，世界上沒有人會記住一家按時開工的晶圓廠是吧。
就算是給美國加一層 buff，讓晶圓廠順利落地，我相信後續的運行，一定還會出不少亂子。
因為半導體生產的核心，其實最關鍵的還是在人身上。
從1960年發明積體電路開始，到2023年的半導體廠自動化製造。
雖然從最早的人工焊接導線，人工澆灌樹脂，到現在的自動化流程生產，看起來是能節約不少人力成本。
但是節省成本不代表不用人，終歸還是人圍著設備轉，而不是設備圍著人轉。
經常提桶跑路經驗的差友應該會發現，越是只需要少部分簡單操作就能跑起來的產線機器，就越會出現三班倒的現象。
這種現象在半導體廠房裡尤為明顯。
如果你是一個 PE（工藝工程師）的話，為了保證產線不能出問題，雖然你不一定要親自上產線操作，但是當輪到你值班的時候還是得保證自己能隨叫隨到，一個電話就得去產線上排查問題。
如果是一個 OP（操作員）的話，更是每天需要穿無塵服，十二個小時可能只能去兩三次廁所，看著頭頂穿梭的天車，聽著身邊無數機台的轟鳴，聞著光刻膠刺鼻的氣味，過著與世隔絕的工作生活。
只要半導體生產的過程中還需要人力介入，那就需要招聘能接受這樣工作環境的人。
這些技術員雖然說起來很普通，但是也絕對不是上汽車產線擰個螺絲那麼簡單。
一個非常好笑的矛盾是台積電在美建廠對於當地最大的吸引力是成創造幾萬工作崗位可是問題是全美都夠嗆找到能 match這些工作崗位的人。
SIA（美國半導體行業協會）的一項研究表示，預計到2030年，美國半導體行業能提供的工作崗位將從現在的34.5萬增加到46萬，但是按照目前的人才培養方案來看的話。
到時候這些新增崗位中，可能有6.7萬個崗位招不到人。
而且在報告中還指出，目前學些 STEM（科學、技術、工程、數學）的學生本來就少也就算了，就算是目前學了這些專業的學生，在就業的時候也不會優先考慮去涉足半導體行業。
講到這裡，關於美國半導體製造能否重鑄榮光，我相信大家心裡已經有了答案。
或許美國政府希望可以用《晶片法案》來給半導體製造打上一針雞血。
