日本半导体浮沉启示录

  众所周知，日本半导体产业经历过80年代的辉煌，也有之后的缓慢退步。但是如果简单地认为日本半导体产业失败了，是严重的误解。今天日本半导体产业在一些领域也有非常存在竞争力的领域。客观的认识其成败背后的原因，对我们今天发展半导体产业有非常强的参考价值。

  在这里笔者想纠正一个观点。很多人认为，日本半导体产业在80年代后期超过了美国。作者觉得这个观点本身不是很准确。准确的说，80年代日本在DRAM（动态随机存取存储器，Dynamic Random Access Memory）的生产方面，其质量可靠性方面超越了美国。并不是半导体产业整体超越了美国。

  首先考虑一个问题，那就是为什么80年代日本赶上美国了？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。作者觉得，其背后有两个重要的原因。第一个是日本的后发优势。战后日本不断的从美国获得各种新技术，同时通过价格上的优势不断的占领美国市场（80年代之前，日元汇率比较低，而且日本的劳动力成本低于欧美）；第二个原因是日本企业管理的特色。从50年代起，开始企业一体的整体质量管理体系，也是所谓的TQC。70年代，很多日本企业组织了ND活动，也是所谓的No Defects活动，打造残次品为零的生产体系。而美国一直是采取，科学的概率论的方法，某批次的产品能够符合标准要求的合格率就好。其背后是美国和日本的人种构成差异和文化差异。

  进入90年代，日本半导体企业在全球的影响力缓慢下降。其背后有三个主要的原因。第一个原因是美国对日本半导体行业的阻挠。其标志为1986年签订的“日美半导体协议”。这个政治原因直接造成日本政府不该继续对半导体产业进行产业政策和资金方面的大规模的支持。也造成日本半导体企业扩展速度的放缓。第二个原因是90年代日本泡沫的破灭。90年代，日本企业面临的是多重压力。首先是日元显著升值的坏因。另外是日本国内市场饱和，企业纯收入能力严重下降。这就造成对半导体的持续研发和设备投资不足。造成的结果是韩国DRAM厂家崛起。第三个原因是四周的国家和地区的崛起。90年代以前，半导体市场基本上美国和日本在竞争。90年代以后，韩国和台湾地区也加入到了这个竞争当中。80年代的大发展，造成了大部分的半导体制造技术装置化。也就是半导体制造设备中凝结了之前几十年的技术积累。韩国和台湾企业购入设备实现了快速的赶超。

  此外，日本企业也没有培育出EDA（Electronic Design Automation）企业。这是和日本社会长期重制造业，轻视软件业的社会特点有关。也和日本缺乏了支持新兴企业的长期资金市场有关。80年代半导体产业如日中天的时候，日本各个大企业都是自己内部开发了自己用的设计软件，而且视为自己的竞争能力，不愿意对外公开。最终造成了日本EDA企业的缺失。整体来讲，日本在工业设计软件、模拟软件、统计软件都能看到类似的情况。这样的领域一直比如美国和欧洲。

  生产一个复杂的芯片，生产的全部过程中要使用到几十种原材料。从物理形态来讲，有固体的，也有液态和气体的。日本企业在大部分的原材料中都有很强的存在感。

  我们可以列举其中一些，比如在光刻胶领域的主要日本企业有JSR，东京应用化工，信越化学工业，住友化学，富士胶片。电子级硅晶圆领域主要日本企业有信越化学工业，SUMCO。掩光罩领域的主要日本企业：大日本印刷，凸版印刷。半导体生产用特殊气体领域的主要日本企业有大阳日酸，Air Water，关东化学，Resonac（原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等等。此外，在半导体生产领域用各种特殊化学药业领域、各种靶材领域，都能看到日本企业的身影。

  半导体材料在材料行业也是属于非常技术壁垒非常高的领域。半导体材料有一个共同的特点，那就是要求纯度非常高。比如作为原材料的硅的纯度要求是11N，也就是99.999999999%。一个半导体工厂每天需要大力的高纯度水用来做清洗。水的纯度也要求在6N以上。需要指出的是，这种高纯度的水，并不是每个国家都有能力制造的。

  另外必须要格外注意的是，半导体材料领域的范围是很广的。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公司就有很强的存在感。该公司是日本工业陶瓷领域的著名公司日本特殊陶业（NTK）公司的子公司。

  第一个因素是70年代和80年代左右，日本电子行业整体非常发达。当时各个行业的日本企业也都面临着开拓新的业务内容和增加新的收益源的问题，很多企业都加入电子材料领域。比如，掩光罩领域，日本的大日本印刷和凸版印刷目前是全球最大的两家企业。这两家公司一直是日本最大的两家印刷公司。大日本印刷公司是成立150年的印刷企业。他们当初是转用了印刷行业的一些制版的技术进入到了掩光罩领域。半导体材料的研发，需要大量的资产金额的投入。日本企业的多角化战略弥补了日本长期资金市场不发达这个缺点。

  另外一个因素是精密化工材料行业，企业内部的技术knowhow很重要。不仅仅是日本半导体材料行业，其他几个国家的高科技材料行业是相同的。生产设备都是开发企业设计和定制的，并不是市场上有的标准工业品。这一些企业很多时候，特意不把自己开发的技术申请专利，而是黑箱化。后发国家除了研发之外，很难进行模仿。

  在这里也举一个颇具日本特色的半导体材料的历史，那就是日本最大食品企业味之素公司的ABF的例子。ABF是Ajinomoto Build-up Film的简称，中文的意思是味之素堆积膜。这种产品用作CPU的在允许电压下不导电的材料。目前该类产品，味之素公司霸占了100%的市场占有率。味之素在日语中是味精的意思，该公司已有100多年的历史了，目前是日本代表性的食品企业。在上世纪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，4个月左右就成功了。但是开拓市场，让半导体公司使用该材料花费了3年左右的时间。之后味之素公司一直霸占着该细致划分领域。其他公司没能简单进入该领域有两个原因，一个是味之素持有大量的专利，阻止了其他公司的进入。另外一个原因是专利之外，还有大量的生产的基本工艺上的技术秘密，构成了技术上的壁垒。

  90年代以后，日本半导体的落败本质上是日本DRAM产业的落败。日本的半导体制造设备产业与半导体材料一直比较坚挺。而且90年代以后一直到最近几年，日本在一些半导体产品方面，在整个世界范围依然具有比较强的存在感。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（简单说就是用在汽车中，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）。

  其实，这几种半导体产品在日本企业顽强的坚持到现在，有两个理由最重要：（1）日本具有稳定的应用场景，（2）日本技术的原创性和产业初期的领先。

  稳定的而且逐步扩大的应用场景很重要。半导体是一种高科技产品，但是这样的产品单独是不能发挥作用，必须是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。

  Case1：CMOS Image Sensor。CMOS Image Sensor和日本强大的数码相机行业在90年代以后的崛起不无关系，双方是相互支持，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，日本企业至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。在这里需要指出的是，日本的索尼公司早在70年代就开始了CCD的研发和应用。这样的领域一直在不断的积累和进步。

  Case2：汽车用微处理器。汽车用微处理器（日语名称：マイコン）和车载半导体也是类似情况。1980年，日本汽车生产量达到1000万台左右，成为全世界最大的汽车生产国家。汽车用微处理器和美国的环境管制和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）。该法案对汽车公司的尾气排放做出了苛刻的减排要求。当时很多汽车公司都认为是不可能实现的。在这个背景下，美国的一些汽车公司开始委托外部的公司开发控制汽车发动机喷油和排气再燃烧的微处理器。日本东芝公司经过5年多努力，在70年代末成功为福特公司研发成功。之后该技术转用到了日本的各个汽车公司。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。

  Case3：功率半导体。目前全球的功率半导体领域，德国日本美国的企业占据了全球前十大企业。德国的英飞凌最为强大，遥遥领先。日本企业往往能够入围4-5家企业，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之外，都是所谓的“综合电机”公司。也就是类似德国西门子的业态的公司。英飞凌就是从西门子分出来的企业。另外，需要指出的是，功率半导体的生产方式和DRAM等产品有很大的不同，也就是要求的技术不完全一样。在这领域，日本也是一个正循环的态势。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。日本在90年代全世界最早在铁道车辆和新干线车辆导入了IGBT，极大的促进了铁道领域的节能。

  Case4：LED。90年代以后，日本主导了LED相关领域的发展。其根本原因是日本的科学家在90年代初期突破了蓝色LED的技术。三原色当中，蓝色发光LED是最后突破的。2014年，因为突破蓝色发光LED的贡献，三位日本科学家赤崎勇、天野浩和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。

  Case5:NAND Flash Memory。东芝公司在该产品领域，一直具有比较强的存在感。其本质原因主要在于该产品就是东芝公司发明的。东芝公司的舛岡富士雄（Masuok Fujio）在1984年左右发明了NAND Flash Memory。东芝公司在技术方面，领先了全世界同行一步，这个优势从始至终保持了下来。

  最近几年，美国不断对中国半导体产业的发展采取各种阻挠和限制措施。作为中国的应对，可以从三个时间角度去考虑。短期最重要的事情是稳定和美国以及其他主要发达国家的关系。90年代以后，美国在半导体产业已经不能构成一个完整的产业链了。现在美国拉拢荷兰和日本的本质原因就在这里。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的工作。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，需要在基础理论方面有所突破。没有基础理论和技术的重大突破，中国很难成为半导体的强国。

  此外，新能源汽车行业今后是影响中国半导体产业高质量发展的最重要的产业。日本半导体产业给中国最大的经验教训就是终端产品和不断的技术研发。

  在今后半导体行业的发展中，中国不是没有一点优势。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也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，其中有两个主要的内容，也就是DX和GX。所谓的DX就是Digital Transformation，就是全产业的数字化转型，最有一定的影响力的内容是人工智能的发展。所谓的GX就是Green Transformation，也就是全产业的绿色低碳转型，最有一定的影响力的内容就是从化石能源主导转变可再次生产的能源主导的能源革命。前三次产业革命中国都欧美国家主导的。第四次产业革命，中国和欧美日占到了同一个起跑线。

  在第四次工业革命中，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个左右的各种芯片（并不都是高端的芯片）和100个左右的各种传感器。新能源汽车是半导体产品最大的应用市场。很明显，中国的新能源汽车领域在整个世界范围走到了前面。

  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。半导体产业的发展和应用产业的发展是一个互相支持的，良性互动的关系。80年代以前，是晶体管收音机、电子计算器和电视机等。日本的液晶产业也是因电子计算器的应用需求，积累了初期的基本技术。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，日本丧失了使用半导体量最大的两个产品的发展主导权，也就是个人电脑和智能手机的发展主导权。这也是日本半导体产业滑落的一个重要原因。

  不仅仅是日本，美国的半导体产业是相同的。80年代以前的半导体产品是非常昂贵的。美国是军工和科研部门的资金有力的支撑了美国半导体产业高质量发展的基础。90年代以后，英特尔公司长达30年时间，位居全世界半导体企业第一强的位置。这是因为，英特尔公司提供了这个时代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会在AI时代占据最重要的位置。也就是技术的原创及慢慢的提升、巨大的市场这两个因素。