一家日本的味精厂造成全球芯片短缺,真相竟是这个……

2021-09-07   来源:新浪科技综合 原文链接:点击获取

文章来源于探臻科技评论 ,作者周康林等

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?

  图:味之素在我国销售的“红碗”牌味精

  图:味之素在我国销售的“红碗”牌味精

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。

  图:用绝缘油墨进行绝缘处理的流程

  图:用绝缘油墨进行绝缘处理的流程

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。

  图:英特尔公司

  图:英特尔公司

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。

  图:中村茂雄(右二)与同事

  图:中村茂雄(右二)与同事

  图:芯片与ABF材料

  图:芯片与ABF材料

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。

 图:ABF材料的应用领域

 图:ABF材料的应用领域

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。

  图:芯片、封装基板与PCB的关系

  图:芯片、封装基板与PCB的关系

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。

  图:ABF材料应用于封装基板

  图:ABF材料应用于封装基板

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。

图:航空发动机

图:航空发动机

  图:光刻机

  图:光刻机

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。

  图:技术优势、商业垄断与技术垄断之间的关系

  图:技术优势、商业垄断与技术垄断之间的关系

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。

启示3:

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。

  图:半导体产业链

  图:半导体产业链

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