曾为半导体研发霸主 美国老大哥地位不再？

      近来舆论针对美国在半导体研发领域的地位衰落问题着墨甚多，悲观者认为，如同已“弃械投降”的贝尔实验室(Bell Labs)，半导体大厂德州仪器(TI)也面临同样的问题，开始面临诸如台积电(TSMC)等新兴制造商的挑战。乐观派则认为，英特尔(Intel)仍扮演着下一代半导体技术领导者的角色，而IBM也还是半导体专利王…

      此外像是IM Flash这样的公司还正在迈步前进，惠普实验室(HP Labs)所开发的忆阻器(memoristors)技术将淘汰传统的半导体内存…同时，美国各大学和与国家实验室正在研发那些将改变产业游戏规则的芯片技术，而那由产、学、研各界携手合作的研发联盟，都会是让美国研发地位维持不坠的力量。

贝尔实验室的落日

      很多电子工程师们都认为，美国在半导体领域的地位衰落，最具代表性的指标就是贝尔实验室宣布不再继续进行半导体材料和组件方面的研发。该实验室曾经是半导体领域先锋，不光是发明晶体管，它在半导体材料、组件等很多领域都曾取得重大突破，包括MOSFET、CCD组件、分子束外延(molecular beam epitaxy)、电子束微影(electron beam lithography)、光电电池、二氧化碳激光器(carbon-dioxide laser)、量子串联激光器(quantum cascade laser)、光学路由器(optical router)，以及第一代32位微处理器单芯片。

      座落于纽泽西Murray Hill的贝尔实验室，如今是法国公司Alcatel-Lucent的研发部门；目前该实验室拥有1,000名研发人员以及每年20亿美元的预算，主要研发例如无线、网络、光通讯和计算机算法等更务实的技术。虽然该实验室还有一个小组继续进行较长期的研究，例如高速电子和纳米科技，但是那些让贝尔实验室获颁6次诺贝尔奖的、具突破性意义的研究题材都已经中止。

      贝尔实验室放弃那些长期性的半导体研究题材，可视为是美国在半导体研发领域研发走入了死胡同。不过美国半导体制造商却认为，贝尔实验室业务模式的转变，仅是为了因应产业气候变化的策略；现今芯片制造商需要在这个低利润、产品量大的全球市场中寻求生存之道。

      飞思卡尔半导体(Freescale)副总裁Gregg Bartlett认为：“说美国已失去研发与半导体产业领导地位还为时过早；人们必须了解，贝尔实验室的案例并不具有普遍意义，并不代表在其它地方不会再有创新。美国仍是全球半导体产业的中心，Intel、IBM及其技术伙伴仍专注于技术研发，他们仍有大量的创新成果产出。”

      但这样的辩护很难说服那些持相反意见的人，他们会举美国内存产业的状况领域做为反证；该领域是几乎所有美国芯片供货商都曾涉足的，但如今只剩下DRAM制造商美光(Micron)，而且该公司今年亏损达16亿美元。

      美国的晶圆厂也面临同样的命运，因为越来越多芯片制造业务转移到台积电、联电(UMC)、特许半导体(Chartered)等厂商，还有新崛起的中国大陆业者手中。以上都是悲观论调者用来预言半导体研发将是美国下一个丢失的光荣；不过现在只能说美国半导体研发正在走下坡，还不到出局的时候。

仍专注于研发的IBM与Intel

      IBM半导体研发中心副总裁Gary Patton表示：“有部分公司不得不放弃研发、藉由改变业务模式来因应产业趋势变化，但美国仍拥有可观的领导级半导体技术实力，例如IBM的研发联盟以及Intel，都是高阶半导体技术研发动力。”

      IBM的研发预算高达62亿美元，拥有多达3,200名工程师所组成的核心研发团队，以及他们背后20万个相关协力工程技术人员。Intel的研发预算也超过60亿美元，该公司旗下的研发团队拥有超过1,000名工程师和科学家，背后也有数以千计的技术支持人员。

      尽管如DRAM等部分美国半导体产业领域确实走下坡，但IBM和Intel仍认为美国在该产业领域充满活力──毕竟，Intel是世界上最先切入45纳米制程节点的公司，这足以证明美国半导体产业仍走在产业尖端。

      Intel技术长Justin Rattner表示：“你可以透过我们在技术研发上的稳定节奏来判断我们的实力，我们已经顺利导入high-k金属闸极技术。”

      IBM也宣称该公司已经为高阶服务器处理器规划了45纳米制程时间表，并能在短时间内让旗下的其它晶圆生产线也跟上进度。而为了因应深次微米制程节点的高研发成本，IBM成立了一个研发联盟，目前成员包括AMD、特许半导体、飞思卡尔、英飞凌(Infineon)、三星(Samsung)以及意法半导体(ST)。

      对美国芯片制造业来说，改变的并不是技术蓝图，而是产业现实；随着越来越多半导体晶圆代工业务转往海外，相对应的技术研发责任也因此转移。现在，营运一座新晶圆厂的投资金额高达30亿美元，面对这样的现实，像TI这样的半导体制造商不得不依赖代工伙伴的合作研发，才能迈向32纳米以下的制程节点。

      飞思卡尔的Bartlett表示：“坦白说，美国有越来越多半导体制程技术转移到台湾，并非是缺少投资的问题，而是半导体制造业的现实；哪里的制造产量大，技术研发和布局也会往哪里去。”

现实的成本因素

      感觉上，美国的半导体研发为其成功付出了代价。现在一家半导体公司的财务是否健全，取决于该公司能否缩小制程节点、好能在每片晶圆上产出更多的芯片，也就是降低每颗芯片的成本。当晶圆厂无法引进新材料或设备，只好想办法压榨现有制程技术来缩小产品，而由于有越来越多制造业务转往海外代工厂，这种工作也落到那些代工伙伴头上。

      TI已经坦承他们不再是一家垂直整合公司；“我们已经将投资转向更贴近客户，因此我们所热衷的不再是芯片制程技术，而是关心该如何解决客户明天可能面临的问题，并确保我们的解决方案是最具成本与功耗效益的。”TI研发中心的副总Martin Izzard表示。

      TI决投入22亿美元的研发预算，来设计更优异的模拟、混合讯号和特殊应用讯号处理芯片；虽然目前还不清楚TI的这个策略会产生什么样的长期效果。但可以肯定的是：开发新材料和组件架构等与制程节点相关的创新，已经不是TI得解决的问题了，而是晶圆代工厂的责任。

      但不同于TI，包括IBM、Intel和Micron还不想变成无晶圆厂公司，他们仍不放弃自有晶圆厂。“现在所有半导体公司的技术正接近微影制程的物理极限，所以挑战比以往更加艰巨；”Micron内存业务副总裁Brian Shirley表示：“目前我们正寻找能在3~5年内解决这个问题的方法，不过看来相关研发成本很高，而且产业环境的压力也比以往更大。”

      挑战物理极限所需的研发将为美国半导体业者带来更多成本，而雪上加霜的是，业者的研发预算不断被下滑的销售额和过剩库存所挤压。因此美国各大学和国家实验室，得负起更多的长期研发责任。

学界研究的重要性

      而确实IBM也看到了这样的趋势；这几年来，IBM、Intel等公司与美国境内各大学的研究学者建立了紧密的合作关系，例如IBM不久前所发表的、号称全球最小的22纳米制程SRAM芯片，就是IBM与纽约州立大学阿尔巴尼分校(University at Albany-SUNY and New York State)合作的结果。

      IBM在纽约州投资了数个大学合作研究计划；包括与伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic)合作研发先进3D和其它封装技术，以及与纽约州立大学阿尔巴尼分校的两项合作案(其一是采用15nm微影技术的300mm晶圆制程，另一个则是利用IBM的超级计算机Blue Gene实现网格运算的研究)。

      Intel的Rattner也表示：“我们赞助了不少大学研究，题材涵盖自旋电子、碳纳米管、石墨烯(graphene)等。这些创新需要8到10年的研究，然后我们会把这些研究成果转为公司内部研发，将它们打造成为最有希望商用的产品。”

      而美国历史上最成功的半导体研发产学合作案例，非Semiconductor Research Corp.(SRC)莫属，该机构赞助了超过100个产学合作研究计划。

      不过上述这些学界与企业的合作案规模，与分属美国国防部、NIST等机构的国家实验室与技术中心相比较，仍是小巫见大巫。目前美国政府旗下非军事应用、规模最大地学术研究资源是美国国家科学基金会(NSF)，拥有约60亿美元的预算，在美国联邦所支持的各大学研究案中，占有大约20%的比例。

      然而随着美国政府的财务压力越来越大，那些低投资报酬率的长期研发计划经费也遭削减。根据美国国防部高等研究总署(Darpa)的统计，基础电子研究资金在2007年从2005年的2.54亿美元缩水为2.36亿美元，到2008年更减少到了1.97亿美元。

      目前来自产业界与美国政府的研发资金仍然持续供应，但是否能满足诸如贝尔实验室那样、能稳固美国在半导体研发领域领先地位的大型研究，就不得而知了。“我不认为我们需要开发新的研究计划，只需为现有的研究投入资金；”Intel的Rattner表示：“我们的机制是确定那些研究是有效的，因此只需在背后提供人力和资金，以确保这些研究案的成功。”