美国军用芯片供应危矣!智能型军火“严重耗尽”

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根据产业人士与政府事务观察家的看法,由于对美国国内制造产能的投资不足,美国国防部(DoD)可能要花几年的时间才能摆脱对亚洲芯片的依赖。

全球芯片缺货状况,阻碍了洛克希德˙马丁(Lockheed Martin)、雷神(Raytheon)等美国国防军事供应商持续供应俄乌冲突中使用武器的能力。美国国防部还必须估算来自商用买主对晶圆代工厂产能的竞争,以及军方对较旧芯片架构的过度依赖。因此人们开始疑虑,美国可能有长达十年的时间难以因应与台海地区有关的战事,而讽刺的是,中国台湾就是为美国国防部供应芯片的半导体制造商大本营。

在持续升温的中美紧张情势之中,中国台湾地区处境微妙。根据台湾地区相关部门消息,在2022年12月25日,大陆有71架次军机巡航台湾海峡,其中有47架次跨越海峡中线,创史上新高纪录。而这样的行动就发生在美国总统于美国时间2022年12月23日正式签署《2023年国防授权法案(2023 National Defense Authorization Act)》、同意在接下来五年提供台湾地区100亿美元军事援助之后不久。

不过根据曾创立包括iDeal Semiconductor、Agere Systems等公司的电子工程领域专家Mike Burns表示,美国国防部可能需要十年的时间才能建立可靠的国内供应链,问题在于像是英特尔(Intel)等美国业者多快能追上台积电(TSMC)的脚步。目前台积电是应用于包括F-35战斗机、导弹与指挥控制设备等美国国防部武器系统之FPGA组件──包括来自Altera (EETT编按:已被Intel收购)与Xilinx (EETT编按:已被AMD收购)──与其他芯片的主要生产者。

“也许只要三年的努力,”Burns接受《EE Times》采访时表示,“但我已经讲这个讲好几年了。”可以确定的是,台积电在12月已经宣布把对美国亚利桑那州凤凰城新据点的投资增加至三倍达到约400亿美元,预计在2026年于美国打造生产3纳米节点的第二座晶圆厂。

不过Burns也指出,虽然苹果(Apple)、AMD等公司会向台积电亚利桑那州晶圆厂采购芯片,但该厂可能不会是美国国防部的供应商;“我不认为台积电会做这门生意,”他表示:“如果你看过他们对美国工程师的态度,他们似乎对他们不太满意。”

台积电经常表示,该公司会将最先进的工艺留在中国台湾;这家全球最大晶圆代工厂有九成以上的产能都在那里。2022年台积电已经在台湾地区开始生产3纳米节点,领先美国数年。而台积电与在美国亚利桑那州晶圆厂雇用的一些工程师存在文化冲突;Burns认为,因为这个挑战以及台积电将专注于服务Apple、AMD等大客户,使得Intel等较小型的晶圆代工业者会更适合作为美国国防部的供应商。

“这将取决于Intel,”他指出:“该公司的代工服务可以制造落后台积电一至两个世代工艺的ASIC,也许这可以弥补差异。”Intel在几年前收购了FPGA供应商Altera,后者本来是委托台积电生产那些性能虽不如ASIC、却能轻易修改的可程序化芯片。而美国国防部被迫依赖FPGA组件,是因为找不到像是台积电或三星(Samsung)那样的大型晶圆代工厂,为其武器系统生产客制化ASIC。

来自Apple、AMD等商用客户对晶圆代工产能的竞争,削弱了像是美国国防部这种小型买主的采购力。Burns指出,就算是总部在美国的GlobalFoundries等业者也会将美国国防部的优先级往后排;“GlobalFoundries有一大群推动量产的商用客户,我们却永远不会知道军用晶圆数量有增加,以及那会持续多久?它们通常是高成本、低产量,而且产量是不可预测的。”

 

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Hudson Institute资深院士Bryan Clark (来源: Hudson Institute)

美国智库哈德逊研究所(Hudson Institute)资深院士Bryan Clark接受《EE Times》采访时指出,美国军方仰赖旧有,或者说较旧的芯片架构,通常不被广泛采用而且必须以少量、专有工艺生产。“当芯片缺货情况发生,生产芯片的业者若为家电、车辆打造芯片可以赚到更多钱;”他表示:“如果美国国防部可以采用更多商用架构的尖端芯片,并透过封装或软件的方式来采用它们,就能利用商业量产的规模,也比较不会受到芯片供应中断的影响。”

中国最近正被美国的芯片出口管制措施打压,也面临自己的供应链问题;美国视中国为“战略竞争对手”,在5G、人工智能(AI)等技术领域是一大威胁。“中国大陆的军用芯片已经有很大的一部分采用商用型号,不过完全仰赖美国与西方的技术来打造那些芯片,或者得从日本、中国台湾采购那些芯片;”Clark表示:“中国军方因此能更妥善因应供应链中断,但是在面对基于国家安全理由而发生的供应中断时准备不足。”

采用性能落后的ASIC和FPGA组件

Burns表示,美国国防部需要为像是乌克兰战争带来的大幅需求保留一定的产量;他在三年前曾向美国国会提案,指出美国政府应该出资补助一家与像是台积电合资的先进晶圆厂,专门支持美国国防部的产能。他补充,像是SkyWater等美国本地的小型晶圆代工业者,无法满足美国国防部对先进芯片的需求。

“尽管我们在90纳米与130纳米节点采用SkyWater,我们仍然需要先进运算,但我们无法取得;”Burns表示:“没有可信任的晶圆厂会做5纳米工艺的运算芯片。我们倾向采购FPGA然后在美国进行配置,而如何配置就可以是机密。但对于任何一种FPGA,在性能上就必须有所折衷,因为专门打造的ASIC速度会更快。”针对以上看法,美国国防部并未对《EE Times》要求评论的采访需求做出回应。

而像是雷神等武器系统供应商则表示,芯片缺货情况限制了他们扩大生产的能力。“在供应链没有魔法公式可以加快这个速度,”雷神首席执行官Greg Hays在12月初接受美国电视新闻台CNBC访问时指出:“我们正在尽力尝试缩短交货期间,但是有上千个零组件。不令人意外的,芯片是这些设备中的关键元素,我们正在与国防部合作寻求其他替代方案,或许是在一些供应商方面。”

洛克希德˙马丁则在2022年10月中旬的财报会议上表示,该公司今年的销售业绩跟去年相较的变化很小,在新冠病毒疫情影响与供应链挑战下,预期要到2024年才会恢复成长。Raytheon与Lockheed Martin在美国都有经营工艺老旧的晶圆厂,也都在美国国防部的可信任供应商名单之中。

令人忧心的美国武器库存量

雷神与洛克希德˙马丁制造包括标枪(Javelin)以及刺针(Stinger)等协助乌克兰击对抗俄罗斯的武器,不过根据美国智库战略暨国际研究中心(Strategic and International Studies,CSIS)报告,美国的弹药库消耗量令人忧心;该份在2022年9月发表的报告指出:“有部份美国武器库存量已来到战争规划与训练所需的最低水位。”

CSIS报告亦指出,美国国防部已经提请国会批准提升高机动性炮兵火箭系统(High Mobility Artillery Rocket Systems,HIMAS;EETT编按:简称海马斯火箭系统),以及导引式多管火箭系统(Guided Multiple Launch Rocket Systems,GMLRS)产量所需资金。不过,该产业的一贯立场是,美国国防部应对多年期采购案做出承诺,以证明产业对大幅提升产能的投资是有需要的。

一项CSIS的研究检验了国防工业基地在紧急状态下替代库存的能力,发现该过程在大多数项目下会需要花费数年时间。该中心指出,像是HIMAS与GMLRS等导引式火箭相当有用,但数量可能有限;“美国迄今生产的5万5,000枚火箭估计剩下约2万5,000到3万枚。”

CSIS的报告指出:“若美国将三分之一库存量运往乌克兰(像是标枪与刺针飞弹),就是约8,000至1万枚火箭,该库存量可望维持数月;但当库存量耗尽,就没有替代选项。火箭产量一年约5,000枚,尽管美国正努力提升该数字,近期也已为此目的拨款,仍需要数年时间。”

前美国海军上校、捍卫民主基金会(Foundation for Defense of Democracies,FDD)资深研究员Mark Montgomery与FDD军事与政治权力中心(Center on Military and Political Power)资深主任Bradley Bowman在一篇投稿《国防新闻周刊》(Defense News)的文章中指出,美国2015年批准销售台湾的超过200枚标枪飞弹与发射器,还有250套刺针系统尚未交货,有鉴于支持乌克兰以及回填美国与盟军武器库存量的需求,预期能在2026或27年交货恐怕不切实际。

CSIS的报告则指出,美军的架构不是为了战斗或是支持扩大的冲突,因此“该议题本身在美国国家安全机构内部,应该会引起一些预算优先性的争议。”

美国智能型军火“严重耗尽”

美国国防部可能会指望Intel能供应“超越摩尔定律”(More than Moore)的芯片,也就是利用异质整合包括模拟等功能以实现附加价值,但不一定要采用依循摩尔定律的更微缩工艺节点。市场研究机构TechInsights分析师Dan Hutcheson接受《EE Times》访问表示:“美国的智能型军火库存已经严重耗尽,而那类武器主要是仰赖超越摩尔定律的解决方案。”

 

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TechInsights分析师Dan Hutcheson (来源:TechInsights)

他指出,Intel会需要完成规划中与以色列Tower Semiconductor的合并,才能满足美国国防部的期望;“Intel仍得完成与Tower的交易,才能拥有完整的超越摩尔定律解决方案。这随着该公司每一周延长期限而看来可能性越来越低;”Hutcheson也表示,Intel必须要让Tower的以色列晶圆厂取得美国政府可信任晶圆厂以及美国国际武器贸易条例(ITAR)的认证。

Intel的晶圆代工业务部门(IFS)一直在留住美国国防部这个最大客户方面遭遇挫折;IFS总裁Randhir Thakur已在2022年11月22日提出辞呈。根据Intel发言人Jason Gorss表示,Thakur会待到2023年第一季以确保其业务能顺利交接给接班人

而芯片业老将Burns指出,要把像是Intel这样的IDM制造商转型成晶圆代工厂相当困难,“Samsung做到了,台积电则是从一开始在企业文化上就是设定为服务第三方设计业者,它们提供了很多额外的好处留住员工,转换的成本非常庞大。”

美国国防很“脆弱”?

前任美国众议院常设选任情报委员会(U.S. House Permanent Select Committee on Intelligence)主席Mike Rogers接受《EE Times》访问时也表示,美国国防部需要几年时间才能建立一个不依赖中国等亚洲国家的安全芯片供应链。

“我们在美国确实有一些特殊的能力可制造高端芯片,但却没有足够的所需产量;”Roger指出:“我们透过向全世界采购来补足,中国占据其中一大部份。如果微处理器的更改超越了原本规格,武器系统可能无法在应该启动时启动,导致我们有大批水陆士兵或是海军陆战队员死伤。我是否认为这让我们变得脆弱?我确实这么认为。”

Rogers指出,美国《芯片法案》(CHIPS Act)就是为了弥补那些弱点。“那确实是有缺陷的法案,但仍是朝着正确方向迈出了一步,认识到我们必须要拥有的能力。我们将不得不找出美国应该要有的正确平衡,以防我们确实需要那些芯片的地方有事情发生;”他表示:“我们会受到人们放慢生产速度或是停产、延迟生产的影响,我们应该永远不让自己陷入该境地。我们必须要解决这个问题,这也是为何你会看到有大量经费用于投资芯片制造能力,无论是美国本身或是强大盟友。”

Burns则断言,美国政府应该要将《芯片法案》520亿美元预算的一部份分配给军用芯片厂,因为有太多资金可能会流向美光(Micron)、德州仪器(TI)、台积电等公司。“然后像是雷神、SkyWater与TSI Semiconductor等美国本地业者,什么都没有改变;”他指出:“它们的商业模式相当艰困,投资者未能注入资金,面临的大问题是多快能实现产量提升。”

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