全球半導體產業轉移啟示錄

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導讀

從歷史進程看,全球範圍完成兩次明顯的半導體產業轉移:第一次,二十世紀70年代從美國轉向日本,第二次從80年代轉向韓國與中國台灣,目前逐漸轉向中國大陸。是什麼支持這些國家與地區半導體行業發展如此蓬勃?他們又是如何抓住機遇?

摘要

從整體來看2017年全球半導體市場銷售額達4122億美金,同比增長21.6%,分為集成電路(83.25%)、光電子(8.45%)、分立器件(5.25%)和傳感器(3.05%)四大類,集成電路連續數年領跑整個行業。從產業鏈來看,主要涉及電路設計、芯片製造與封測檢驗這三個環節。從運作模式來看,目前主流整合模式(IDM)與垂直加工模式。從上游設備材料消耗來看,第一被韓國(設備,31.71%)與中國台灣(材料,21.9%)包攬,中國大陸均排第三;但供給商方面,排名前十廠商被美日韓台壟斷,佔據市場份額90%以上,無一中國大陸企業。

半導體目前形成深化專業分工、細分領域高度集中的特點。從發展歷史看,影響因素為兩方面,宏觀層面的全球經濟波動與產業層面的轉移變革。歷史上兩次成功的產業轉移都帶動產業發展方向改變、分工方式縱化、資源重新配置。也正是每次的變動,讓後來者有切入機會,繼而革新整個行業。因此,產業轉移是技術進步、國家產業政策和企業發展規劃的綜合結果。以美國為代表的領導者,依靠紮實的基礎研究、傾斜性支持政策、遊戲制定身份來長期維持行業壟斷地位;以日韓台為代表的追趕者,則從每次產業變遷抓住需求變動,依靠產業政策或財閥領導實現跨越式升級。其中,日本失敗在國際政治和外交因素的壓力下喪失了主導權與對技術發展判斷失誤。

詳細來看:

作為技術的發源地,美國一度領導全球半導體與集成電路的發展。目前,美國半導體銷售額為1889億美金,處世界第一。除了1986-1991年期間被日本趕超,美國市場佔比基本維持在50%。美國保持領先的原因為:1)紮實的基礎研究奠定理論基礎,時間積累突出研究深度;2)發明者的地位決定設計框架的國際使用,即遊戲的設計者與規則制定者;3)國家意志推動,政府決定性地在資金、採購、政策規劃、外交貿易等方面的突出領導作用。

日本半導體1986DRAM市場佔有率達80%反超美國成為世界半導體第一強國。成功在於1)初期美國的大力支持與經濟復蘇;2)大型機時代以“物美價廉”從DRAM市場切入趕超;3)政府在協調統一與貿易保護做出的巨大貢獻。90年代開始逐漸沒落,主要因為1)經濟幾乎停滯,同時美國打破貿易保護;2)固守大型機時代的成功,沒有根據行業發展進行主動調整,失去先機;3)固守的分工方式,在人力與資金上顯得累贅,缺乏靈活性。

韓國與中國台灣大約同時發展,抓住大型機到消費電子的轉變期對新興存儲器與代工產生的需求。截至2017年,韓國以22%全球半導體市場份額成為僅次美國的半導體超級大國,而台灣以76%市場份額佔領全球代工市場。造成這一區別的主要因為韓國獨特的財閥推動作用1發展前期在美國幫助下,財閥帶領的主動對新型技術模仿吸收;2)不間斷地對設備、材料、人才的投資;3中後期政府參與時,研發依舊由財閥內部完成,政府基本起到基金調配作用而並非領導作用。因為缺少資本雄厚財閥,眾多中小企業的台灣主要在政府產業政策下發展1)抓住行業需求積极參与全球化分工;2)新竹園區聚集效應與海外人才的迴流;3)包括工研院建立的政府政策、戰略規劃。

中國集成電路發展勢頭兇猛,第三次產業轉移趨向中國。據數據統計,2017年我國集成電路產業銷售額達5411.3億人民幣,同比增長24.81%產業結構從“大封測中製造小設計”到“大設計中封測中製造”轉型,從低端走向高端,展現我國集成電路發展的突破。但我國需求供給不平衡不匹配現象仍然嚴重,且將長期存在。進出口缺口比例長期保持50%以上,其中進口項目45%以上為微處理器與控制器,說明我國在核心芯片缺乏核心競爭力,需要依賴於人。

對我國的啟示,無論領導者還是追趕者:1)強有力的政府支持作用。政府在發展初期的強力支持作用至關重要,從行業整體規划出發,輔以相關稅收減免、資金調配、技術與人才引進等產業政策。2)大力度培養人才。目前我國集成電路人才面臨數量低、質量低和海外流出高的“兩低一高”問題。國家需發揮主導作用,加強“產學研”,提高人才待遇、改善就業環境,吸引海外人才、培養本土人才。從追趕者經驗來看:3)統籌規劃產業發展方向、技術路線,統一目標與認知。結合我國製造佔比連年下滑與製造的重要地位,我國可以先大力發展製造業,再以提升設計能力,規劃制定每三年或每階段發展目標,凝聚產業力量,統一各界認知。4)對比全球,繼續加強投資。對比其他國家,我國無論在設計人才培養、製造材料設備購買、封測技術升級的需要花費的金額更甚。並且需要根據產業規劃,明確投資主要方向,不能雜亂無章。5)建立區域整體,發揮群聚效應。學習韓台經驗,利用地理優勢加強地區性產業規劃來發揮群聚效應,聯合配套設施帶動知識與技術的高效流動、活化資金。從日本失敗經驗來看:6)堅持政策自主,保持發展獨立性。吸取美日兩次雙邊協議教訓,面對此次美國借貿易戰名義打壓遏制“中國製造2025”為代表的高科技領域,我們要堅持自主底線,不能受到外界壓力喪失自主權。

此次中興事件無疑給國人敲響警鐘,結合我國半導體產業現狀事情,抓住此次產業轉移趨勢來提升我國高科技製造、設計能力,最終提高國家競爭力。

風險提示:技術進展、政策推動不及預期、全球經濟波動劇烈等

目錄

1   半導體行業整體情況

1.1  細分領域、產業鏈與運作模式

1.2  市場規模

1.3   影響因素:宏觀層面的全球經濟與產業層面的轉移變革

2   美國

2.1  基礎研究紮實

2.2  遊戲制定者

2.3  舉重若輕的政府角色

2.3.1  技術方向、資金支持與政府採購

2.3.2  特殊時期的外交與貿易手段

2.3.3  相關立法與優惠政策

3   日本

3.1  令人震驚的成功

3.1.1  美國支持與日本戰後經濟復蘇,為技術發展提供良好環境

3.1.2  政府角色

3.1.3  抓住大型機時代對DRAM強力需求

3.2  令人錯愕的衰敗

3.2.1  失去的“二十年”與美國的雙重打擊

3.2.2  對技術發展的判斷失誤,缺乏主動性

3.2.3  韓國的崛起與固守的分工方式,缺乏靈活性

4   韓國

4.1  美日爭霸期間的“學習模仿超越”,儲備知識與技術

4.2  財閥主導,中小企業依靠的產業結構

4.3  瘋狂的對設備、材料、人才投資

5   中國台灣

5.1  全球化分工

5.2  政府政策、戰略規劃

5.3  產業園區的聚集效應與人才迴流

6   對中國大陸的啟示

6.1  目前發展迅猛但技術自主能力不強,供需不平衡

6.2  啟示

 

正文

1      半導體行業整體情況

1.1   細分領域、產業鏈與運作模式

以中興禁令為啟,此次中美貿易戰,實質是美國打着貿易的旗號試圖對“中國製造2025”為代表的高科技領域進行打壓與遏制。代表之一的半導體,其歷史最早追溯到19世紀30年代,經過長達一個世紀的研究,直到1947年美國貝爾實驗室發明了更具實用價值的晶體管,人類才開啟電子時代並向信息時代前進。可以說現代的大多數文明,例如家電、PC(個人電腦)、智能手機等,都需依靠半導體行業。

從類型來看,半導體可以分為集成電路、光電子、分立器件和傳感器這四大類。儘管佔比有下滑趨勢,集成電路依舊以超80%市場份額領跑,細分包括儲存器(36.12%)、邏輯電路(29.78%)、模擬電路(15.46%)和微處理器(18.63%)。

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從整體來看,根據世界半導體貿易協會(WSTS)數據顯示,2017年全球半導體市場銷售額達4122億美金,同比增長21.6%背後主要推動力來自集成電路與傳感器的強力增長:得益於DRAM(動態隨機存取儲存器)、NAND閃存等儲存器爆發,集成電路2017年增速為24.03%;因物聯網、智能控制、汽車應用、圖像識別等強勁需求驅動,傳感器市場去年增速為16.17%

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從產業鏈來看,主要涉及電路設計、芯片製造與封測檢驗這三個環節。生產流程主要是以電路設計為主導,IC設計商根據客戶需求把系統邏輯和性能轉換成物理圖譜,然後委託芯片製造商從原材料,經過提純、單晶硅柱、分片、蝕刻等過程製成晶圓(排列着集成電路的硅晶片),再送到封裝廠完成電路封裝、測試的最後步驟,最後進行銷售。

從運作模式來看,目前主流兩種運作模式,即整合模式與垂直加工模式。整合模式又稱IDMIntegrated Device Manufacturer,早期的芯片企業多為IDM,以英特爾與三星為代表業務範圍覆蓋整個產業鏈。但根據摩爾定律,同等價格下,集成電路上容納的晶體管元器件數目每18-24個月翻一倍,性能也隨之提升一倍。這一定律揭示了半導體行業發展迅速的同時,也暗示整個行業需要不停的投入新型材料與儀器研發更高性能芯片。為了減輕投資壓力與降低失敗風險,上世紀九十年代開始,IDM逐漸拆分成單環節加工,形成以設計為主的Fabless模式、晶圓代工Foundry模式和純封測檢驗模式。

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1.2   市場規模

材料方面,據半導體工業協會數據顯示(SIA,2017年上游材料端市值約470億美金,排名第一的為中國台灣,以21.9%市場份額連續八年奪冠;中國大陸發展迅速,對比2011年增長56.8%。但最為重要的硅晶圓供應市場卻被日本包攬一半,排名前五供應商佔據全球94%市場份額,較去年增長一個百分點,壟斷日益加劇。

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設備方面2017年全球設備共投資566億美金,韓國以179.5億美金首次超越台灣成為全球設備花費最高國家,主要原因在於今年存儲器的暴漲帶動DRAM相關產業鏈增長,韓國作為DRAM產出第一國家的收益最高。中國大陸以27.4%增速展現對製造環節的投資熱情,排全球第三。與材料供應市場類似,設備供應市場90%以上被歐美日韓壟斷,且前十廠商均有較高的營收增長,其中韓國SEMES142%增速成為全球漲幅最高供應商。

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因為擁有英特爾、三星、海力士等全球前十公司,IDM市場規模遠大於Fabless市場規模,但兩者差距逐漸縮小。FablessIDM規模比從1999年的7.67%提升到2017年的38.66%,說明行業產業鏈全球縱向延伸加劇。終端應用方面,智能手機依舊是第一大場景,佔整體32.28%。雖然智能手機市場逐漸飽和,出貨量連續下滑,智能手機市場對半導體需求依然保持較高水平。另外,5G、人工智能、物聯網、汽車電子等快速發展也大力度推動整個半導體芯片市場。

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1.3   影響因素:宏觀層面的全球經濟與產業層面的轉移變革

作為資金與技術高度密集行業,半導體目前形成深化的專業分工、細分領域高度集中的特點,因此半導體受全球經濟影響波動較大,且相關性越來越強。分析1980-2022年期間全球經濟與半導體行業之間的相關係數可以發現,除去90年代全球半導體行業處於整合模式向垂直加工模式轉移,其他期間顯示出全球經濟對半導體行業強力拉動關係,而這一趨勢未來表現更甚,相關係數逐漸向1靠攏。主要原因為兩點:

1)垂直模式日趨成熟,產業鏈更細化。細化分工的產業鏈除了降低投資風險、提高環節操作效率與最終產品良品率,更重要的是給新玩家一個進入行業的切入點,例如技術水平較低的封裝檢測、設計突出的Fabless等。對比早期IDM形式,各自環節深化有效降低資本支出在銷售的比例,企業盈利得到一定保障。

2)大規模兼并收購帶來細分領域的龍頭效應,議價能力增強。為了保障企業技術水平、研發進度領先,並擁有一定的市場份額,半導體自2000年開始進行一定規模的兼并收購,整體交易金額在2015年達至頂峰為1073億美金。大量高頻的行業併購降低製造商與供應商數量的同時,使“強者越強”。2017年的併購行為放緩也側面說明,行業的成熟令各自領域的龍頭效應明顯,更多的併購已無法帶來更好的邊際效益。

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從歷史進程看,全球範圍完成兩次明顯的產業轉移:第一次,二十世紀70年代從美國轉向日本。十九世紀50年代,晶體管誕生於美國,後續發明影響行業的革命性芯片與商業應用,例如英特爾4004、英特爾8088IBM個人計算機等。出於經濟與政治因素考慮,70年代向日本提供技術與設備支持,產業轉向日本,日本半導體一度躍至世界第一。為了抵制日本發展奪回半導體行業話語權,美國開始向韓國台灣等地提供支持,第二次,產業從80年代開始轉向韓國與台灣。為了降低設備、人力等成本,目前,產業逐漸轉向中國大陸。是什麼支持這些國家與地區半導體行業發展如此蓬勃?他們又是如何抓住機遇?我們後續根據國家一一分析。

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2      美國

作為技術的發源地,美國一度領導全球半導體與集成電路的發展。據數據顯示,美國半導體銷售額以平均5.02%增速從1997年的709億美金增至2017年的1889億美金。除了1986-1991年期間被日本趕超全球公開銷售市場份額一度跌至35%,美國市場佔比基本維持在50%,處於世界第一,且在中日美歐等國家均佔據重要地位。

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儘管如此,美國半導體發展並不是一帆風順,也曾面臨過二戰時期經費短缺與八十年代被日本打敗等窘境。為此,美國成功化解危機並保持世界第一的位置,除了我們在《中美科技實力對比:體制視角》所提及的強大資金基礎、高質量人才彙集、包括產學研為代表的創新創業精神與科研人員高效流動的科技體制外,我們認為還有以下幾點1)紮實的基礎研究奠定理論基礎,時間積累突出研究深度;2)發明者的地位決定設計框架的國際使用,從而進一部強化國際地位;3)政府決定性地在資金、採購、政策規劃、外交貿易等方面的領導。

2.1   基礎研究紮實

美國對基礎研究無論在深度還是廣度都首屈一指。長期積累的物理、數學、化學實力是微電子學、電力學發展基礎,二戰後,在國防部支持下,美國基礎學科受到高度重視,繼承德法英研究的美國半導體正是此期間高速發展。以肖克利及“八叛徒”為代表的行業領軍人物,大膽設想、不斷鑽研,令美國成為第一個發明半導體與集成電路的國家,極大帶動美國研究熱情。此後由國家科學基金委員會(NSF)帶頭,資助國家基礎研究項目與科學教育,促進研究成果的同時大範圍培養人才,加深基礎研究,形成“研究領先擁有人才培養實力更多人才投入積累突破”的良性循環。

資金支持力度上,美國保留了自二戰以來對基礎研究支持的傳統。從研發支出結構來看,除全球金融危機時期,美國基礎研究投入以較為穩定速度增長,且逐漸追平應用研究投入,佔總研發支出的16.86%而中國這一數字僅為5.45%。除了每年美國國家科學基金會固定投資的幾項基礎項目外,美國先後投入十數億美金實施“超越摩爾定律的科學與工程”(SEBML)、“國家納米技術”(NNI)等計劃以維持自身在全球範圍內的領導地位。

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2.2   遊戲制定者

從歷史來看,晶體管、集成電路、大型集成電路、超大型集成電路、個人電腦、智能終端等發展,美國不是技術發明者就是行業領導者。“第一款產品”意味着開拓無人佔領的新興市場,也意味着對後來者設定市場準則。換句話說,高科技領域,一款新型產品的收益遠不止銷售所展現的數字,更多是身為遊戲制定者與裁判雙重身份所帶來潛在好處。這也是美國在半導體甚至其他行業能展現出超強實力的重要原因之一。

以英特爾為例,WintelWindows+Intel)模式佔據pc時代市場半壁江山,儘管影響逐漸下降,但對眾多廠商造成的挑戰始終存在。主要原因在於英特爾對指令集與微架構的長期統治。指令集(Instruction Set Architecture,ISA)為轉化操作任務成CPU(中央處理器)可以理解的底層代碼的一項硬程序,這一過程又叫做編譯(compile)。微架構(microarchitecture)即設計者對芯片處理頻率、運輸速度、耗能水平等的體現,擁有微架構設計能力也等於擁有CPU自主知識產權。以書本比喻,微架構能力是作者整體繪圖寫作、思想意圖的體現,而指令集是為不同國家讀者按照一定標準的翻譯器,通過這些過程,全球讀者才能閱讀到這本書。同一本書可以按照不同標準來翻譯,因此出現了不同的指令集,最為著名的是英特爾x86ARMv8MIPS。同理,一種翻譯標準也可以翻譯不同種類的書形成不同微架構,其中以低耗能ARM(英國公司)Cortex與高性能英特爾Core系列為主。

 雖然在ARM移動處理聯盟(手機廠商為主,包括華為、三星、蘋果等)的圍剿下,注重計算機市場的英特爾控制力有所下降,但據IC Insight數據顯示,英特爾依舊全面佔據2017年計算機處理器市場,算上平板電腦與手機應用處理器,英特爾x86佔據超60%微處理器市場。作為最早推出的指令集x86搶佔先機制定標準,其餘企業研發CPU時都需要考慮x86的兼容問題是其長期制霸的原因。另外,英特爾通過對少量企業授權AMDCyrix(已被收購)、IDT等),或進行同等價值的技術交換來拉長自身發展優勢。第三,與windows建立的軟件生態,吸引後來設計者的同時加強行業影響力。

 其餘細分領域,例如專攻某項能力的ASICFPGA等,都是類似“搶佔先機制定規則擴大市場再投資輻射影響”邏輯令美國在半導體行業全球領先。

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 2.3   舉重若輕的政府角色

半導體發展符合“刺激反應發展”的規律。與美國傳統提倡的“市場經濟”、“自由發展”所不同,美國政府進行過多次直接或間接關鍵性政策干預,直接行為為政府採購、政府資金支持、相關法律政策、外交貿易,間接行為為影響技術發展方向、市場需求與市場競爭。

 2.3.1  技術方向、資金支持與政府採購

技術發展初期,即20世紀50年代至70年代,政府既是技術發展的提出者,又是資金提供與產品採購者。一項新技術的發明存在資金與風險雙高情況,私人企業無法承擔,政府在有明確需求下的大力支持可以很好的緩和企業風險,為技術創新準備充分條件。

 作為軍方的技術支持,早期各大企業與實驗室的研發多基於政府需求,因此,政府對技術發展方向影響重大。因戰爭產生的對電子信息技術“高效、快速”要求,催生了晶體管的誕生。但第一枚晶體管原材料鍺的化學性能在高溫條件下不穩定且產量有限,促使了硅材料的使用。其次,軍方對元器件線路龐大複雜、故障率高提出了“微型、輕便、高效”要求,激發研發小型整合體,這也是1959年德州儀器實驗室發明集成電路的直接動機。

 再者,政府的資金支持與大規模採購加快技術發展與產品商業化,其中空軍支持率最高。研發經費分政府經費與民間經費,政府經費又分直接撥款與承包合同兩種主要形式,而承包合同貢獻率更強。據美國商務部數據統計,1958-1964年期間,平均每年研發經費來自政府的比例約85%(除1956年),1958年政府直接撥款400萬美金,承包合同費用則高達990萬美金。集成電路發明後的六年內,政府對其資助達3200萬美金,70%來自空軍。合作內容包括德州儀器115萬美金的兩年半的技術研發、德州儀器210萬美金的500個集成電路生產能力、西屋公司的430萬美金的電子產品生產等。在產品得到初步回報後,政府降低採購與資金力度,轉接給個人與企業投資者,再藉助市場效應擴大規模。

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 2.3.2  特殊時期的外交與貿易手段

到了發展中期,日本以DRAM儲存器為切入點,無論從產量、技術還是價格優勢均反超美國,從“後來者”逆襲為世界霸主。對此,美國政府迅速做出了戰略調整,包括最為著名的《美日半導體貿易協議》The U.S-Japan Semiconductor Trade Agreements)與SEMATECH聯盟(美國半導體科技與製造發展聯盟)。

 雙邊協議簽訂背景是日本搶走部分高科技領域而引發美國對自身發展的擔憂。美日雙邊協議取消日本貿易壁壘擴大市場、同時遏制對手發展。80年代前全球銷量最高半導體公司被美國所壟斷,包括國民半導體、德州儀器、摩托羅拉等,到1986年全球前十公司有6所來自日本,前三強更是易主為日本電氣、日立、東芝。為此,聯邦政府開始在1985年與日本進行談判,以“反傾銷”名義令日本政府調整產業政策,主要要求為1)至1991年底,非日本企業生產的半導體器件與芯片在日本銷量必須占日本市場總銷量的20%(之前日本政府保護下為10%以下);2)禁止日資在美投資併購;3)建立價格監督機制,禁止第三國反傾銷。從出發點與申訴點來看,都與今年中美貿易戰有所相似,但不同的是,依賴美軍保護與國防需求,日本在1986年簽訂了協議。由於當時眾多美國企業為區別日本低價競爭,轉向ASIC(某種特殊目的的定製芯片)等高技術高附加值市場,雙邊協議帶來的效益不算很大。協議過後,日本全球市場份額與DRAM市場份額變動不大,依舊處於美國之上。對此美國於1989年再次與日本簽訂貿易協議,條款擴大至專利保護與專利授權等,對此,日本不得不令本國企業開始採用美國框架與產品。數據顯示,1996年非日企業半導體產品在日本市場份額升至30%,其中75%來自美國。

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 SEMATECH整合資源,提高信息、技術與人才交流。儘管美國對產業做出調整改變分工方式,轉向ASIC定製市場形成Fabless運營模式,但基礎技術、設備、材料的劣勢不能忽視,對比日本“價廉物美”,美國急需提高製造工藝降低成本,SEMATECH為此發揮了巨大作用。1987年,政府發揮主導效仿日本大規模集成電路技術合作聯盟經驗(VLSI計劃,日本篇細講)聯合英特爾、德州儀器、IBM、摩托羅拉等在內的共11家公司建立SEMATECH,旨在增強美國國內半導體製造與原材料等基礎供應能力。在國防部高級研究項目機構(DARPA)領導下,11家企業除了互通有無,更是加強了與設備製造廠商之間的合作,包括1)委託開發設備;2)改進現有設備;3)制定下一階段技術發展戰略;4)加強信息交流。其中最重要的是新設備開發,佔總預算的60%,項目集中在金屬板印刷技術、蝕刻、軟件及製造等。統一規劃合理配置資源的同時,降低研究與實驗的重複性,改善企業無主攻方向問題並大大提升製造能力與材料研發進程。因此,美國1992年重新奪回世界第一。市場方面,美國國內對美產新設備採購意願從1984年的40%提升1991年的70%1992年美國應用材料公司成為全球最大設備材料供應商,並保持至今;技術方面,日本終端芯片對比美國的相對成品率從1985年的50%下降到1991年的9%1993SEMATECH完成0.35微米的電路製造。

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 2.3.3 相關立法與優惠政策

注重法律保護的美國,在半導體方面實施了多項政策貫穿全程,直接或間接的影響半導體行業在融資、投資、稅收、專利保護、科技研發等方面的進程。形式可分為減免所得稅、企業低稅率、額外費用減扣、虧損結轉、所有權保護、打擊惡性競爭等。

 以《經濟復興稅收法》為例,企業研發費用不作為資本支持而作為費用抵扣,如當年研發開支超過前3年平均值,超出部分給予25%稅收減免,企業用於新技術改進的設備投資可以按照投資額10%進行所得稅抵免。這一法案的實施,減免企業營業壓力的同時增加企業創新研發動力與研發強度。

 針對早期芯片行業版權混亂現象,美國出台專門也是當時世界第一部的《半導體芯片保護法》,進行註冊後的集成電路權利人可以在10年內享有該作品的複製、發行等基礎權利,也享有對惡性抄襲複製者的追訴權,即使沒有註冊,設計者也在2年內享有權利。但是《芯片法》不反對反向工程(通過現成產品進行設計復原),也一定程度的促進市場競爭。這部創新性的保護法案也影響了其他國家集成電路的專利保護,更是影響了世界知識產權組織(WIPO)修訂《集成電路知識產權條約》與世界貿易組織(WTO)修訂《與貿易有關的知識產權協議》。

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 3      日本

從時間來看,日本半導體大致始於20世紀50年代,1950-1960年積極儲備、醞釀實力;1970-1986年迎來黃金時代,1986DRAM市場佔有率達80%反超美國成為世界半導體第一強國,半導體產業逐漸從美國轉向日本;1990-2000年逐漸沒落,現今已經沒有一家日本企業專註於DRAM市場了,可謂成也蕭何敗也蕭何。80年代至90年代可謂日本半導體重要分界點,我們認為有四條原因促使日本成功,也有四方面因素令日本不復當年輝煌。

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 3.1    令人震驚的成功

3.1.1 美國支持與日本戰後經濟復蘇,為技術發展提供良好環境

初期,即20世紀50年代至60年代,日本的發展離不開美國的支持,主要體現在經濟復蘇與技術授權。20世紀50年代,美國爆發對朝鮮戰爭,軍需大大提高,作為美國“遠東兵工廠”的日本憑藉此次機會,迅速積累技術與財富,修復二戰後科技與經濟落後的差距。此後的美蘇爭霸,日本再次充當美國背後支持儲備角色,支援的同時靠着美國提供的工業技術,充實自身基礎,家電行業的騰飛也正是這些行為的結果。日本從“軍轉民”正式進入經濟高速發展階段,GDP1955-1980年期間保持超10%增速增長,這不過花費約10年。

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 “引進消化改良”快速縮短與美國之間的差距。發展一項技術最快的方法就是學習模仿,因此日本實行產業標的(Industry Targeting)政策緊盯西方國家開始大量技術引進。半導體行業最早發生在1962年的日本電氣公司引進仙童的平面集成電路製造技術,結合自身反向工程,成功實現集成電路量產。再在政府要求下傳授給其他日企,將日本集成電路芯片製造能力逐年翻倍,成功實現硅晶體管的商業化與市場化。

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 3.1.2 政府角色

區別美國政府強硬作用,疲弱的日本軍方無法複製類似美方在初期對半導體產業強力的技術指引與需求拉動,日本政府起到更像是整合規劃帶頭的角色。

 1)集合資源,整體規劃,統一認識。不同於美國半導體企業大多單純從事集成電路或者其他電子領域,日本企業大多有另外產業,整體規劃稍顯混亂,例如東芝的家電事業部、精工的腕錶事業部、索尼的相機事業部等。進入到“輕薄短小”發展時期(早期是以鋼鐵煤炭為代表的“厚重生長”到70年代電子半導體“輕薄短小”),以通產省為代表的日本政府,發揮了資源與資金協調、加強企業與政府之間信息溝通與調整產業發展方向的作用。例如,為了解決IBM 370系統及1M存儲器進入日本市場後帶來的壓力,通產省聯合日本電氣、日立、富士通和東芝五家企業在1976年組成為時4年的超大規模集成電路項目(VLSI),總投資2.36億美金,其中政府出資45%VLSI主要分為五家企業共同研發的基礎共性技術與內部單獨研發技術兩條不同線路,目標為10年內提升DRAM技術,包括短期64K256K與長期1M目標並實現量產。1980VLSI計劃宣布結束時,共獲500多項聯合專利與1200多項工業專利,極大的提升日本整體集成電路水平,也為日本在80年代以DRAM為切入點成為世界第一強國奠定技術基礎。從該項目可以看出,雖然項目研發還是以企業為中心,但是政府在聯合研究基礎共性技術方面發揮帶頭與協調作用,並在專利保護、研發成果免費向成員公司轉移等方面促進了知識高效流動。

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 2)民企拉動內需,“物美價廉”打開外需。正如上述,日本政府無法直接拉動半導體需求,因此出相關採購政策間接影響採購。主要行為包括強制政府與私人企業合營電子信息公司每年採購國產半導體達總採購量的80%、刺激家電產業來側面提高半導體需求等。以日本電子計算機公司(JECC)為例,在政策支持下,JECC計算機採購量從1961年的300萬美金升至1981年的23億美金。足夠大量的需求保障令日本電子產業發展初期在面對外國品牌攻擊有了一定的自保能力。

 經過十多年的鋪墊,日本製造能力完成從“價廉物劣”到“價廉物美”轉型,並依靠廉價勞動力獲取大部分海外市場。從惠普公司1983年發布的一項DRAM芯片調查發現,1980年前日本芯片良品率是美國同等產品的5倍。與此同時,日本1960-1980年製造業平均小時工資為1.73美金而美國為3.8美金,日本僅為美國的約45%

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 3)貿易保護為主的政策與資金支持。與美國類似,日本也出台一列相關政策,但更傾向貿易保護。代表性的為1957-1971年《電子工業振興臨時措施法》、1971-1978年《特定電子工業及特定機械工業振興臨時措施法》、1978-1985年《特定機械情報產業振興臨時措施法》。這些法案出發點1)從人才、資金、基礎設備等為電子產業提供環境條件;2)限制外資,且海外產品市場佔有率不得高於10%3)以歐美為參照系,模仿學習再自研最新技術。這些法案的執行,令日本在完全擁有一流的自我研發技術之前,對幼稚產業(infant industry)的半導體發展起到時間和市場規模的緩衝。

 3.1.3 抓住大型機時代對DRAM強力需求

得益於計算機的發明和普及,儲存技術迅速發展,在摩爾定律下約每3年對DRAM需求翻倍。經過類似VLSI等項目發展,日本64K DRAM研發進度與IBM、德州儀器等美國公司持平,到了1985256K DRAM研發進度趕超美國,日立與富士通率先量產上市。日本抓住大型機對基礎存儲技術的需求,以DRAM為切入點將日本半導體影響力輻射到全球。

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 3.2    令人錯愕的衰敗

3.2.1 失去的“二十年”與美國的雙重打擊

到達巔峰之後的日本並沒有延續輝煌,而是漸漸江河日下。首先,作為強力支持的整體經濟,受到亞洲金融風暴與日本經濟泡沫影響,在1998年後開始出現負增長。其次,失去主權與美國簽訂的雙邊協議影響逐漸凸顯。第一,《廣場協議》推高日元降低美金,從1985年後的幾年內,美日匯率從240日元降低到120日元,令日本出口優勢不再。第二是美日半導體雙邊協議的作用,從電子產業產值變化曲線可以看出,第一次受到明顯影響在1993年,正是美國奪回第一的次年。在美國切斷技術支援與強勢打開市場雙重藥劑下,日本電子產品出口值從1985年開始快速下降,到2000年電子產品出口值約1.5萬億日元,不及1985年峰值的一半。 

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 3.2.2 對技術發展的判斷失誤,缺乏主動性

日本成功於DRAM失敗也在DRAM領域。沉迷大型機DRAM帶來的成功忽略技術的改變,日本固執的將適用於大型機的DRAM技術深入發展,強調芯片的持續性與穩定性。但1980年後個人電腦、互聯網等相繼推出,以PC、移動手機為代表的消費電子時代到來,此時的芯片強調靈活、處理信息能力強等,並不要求非常長久的穩定性。1973年全球大型機出貨量達到頂峰,之後慢慢萎縮而個人PC產值逐漸飆升,日本沒有抓住技術需求變化主動進行產業調整,令韓國在同等領域以新技術超越。

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 3.2.3 韓國的崛起與固守的分工方式,缺乏靈活性

為分化日本實力,美國開始支援韓國與台灣。受到經濟泡沫影響,銀行低息借貸方式的籌資行為已不可行。加上市場份額逐漸被吞噬,固守IDM模式的日本企業負重累累,疲於投資再創新,“投資技術創新投資”邏輯線出現斷裂,與競爭對手的差距被拉大,形成“技術差距銷量下降無資金投資技術差距擴大”的惡性循環。日本企業正是因為落後於市場的反應,被韓國奪走新型DRAM市場,被台灣依靠代工擠走更多製造份額。

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 4      韓國

韓國半導體在60年代外國廠商進韓建廠開始,利用當地廉價勞動力,進行簡單的散件組裝,技術非常低端,具有真正意義的發展在80年代,以韓國三星、LG、現代(2001年分離出為海力士)、和大宇(97年亞洲金融危機中破產)四大財閥開啟。韓國抓住大型機到消費電子的轉變期對新型存儲器的需求,形成“財閥+政府+小企業”的國內產業結構。發展至今,韓國以22%907億美金)全球半導體市場份額成為僅次美國的半導體超級大國,三星更是超越英特爾成為全球第一半導體企業。區別其他國家地區以政府為主導(早期或者特定場景),韓國財閥的推動作用更為突出。主要原因為1)美日爭霸期間,財閥主導的吸收模仿獲得跨越式技術提升;2)財閥+政府聯合,小企業依靠局面;3)不間斷地對設備、材料、人才的投資。

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4.1   美日爭霸期間的“學習模仿超越”,儲備知識與技術

在歸國教授姜基東帶領下,韓國擁有了16K DRAM生產技術,但是基礎依舊薄弱,想要繼續研製64K DRAM非常困難,這決定了韓國無法自主生產需要藉助外力。通過向美國購買技術、設備、海外學習並建立實驗室,韓國4年內就實現64K技術跨越。之後將相同戰略複製到256K1M生產中,逐漸縮小與日本的差距。

1986年後,美國開始向三星、現代與其他八家日企提出技術版權訴訟,韓國與日本均以賠償而失敗收尾。不得不面對技術短板的韓國政府決定成立類似日本VLSI的國家4M DRAM項目研究組,包括政府研究院、三家財團與六所大學,3年內耗費2.5億美金,其中政府撥款57%。但不同的是,韓國聯合研究團隊各自為政,政府領導能力並不強,更多起到的是基金調配作用,研發任務也是企業內部完成。經過前期知識鋪墊與政府資金支持,三家企業相互獨立、競爭研究,韓國DRAM技術大大提升1994年全球第一推出256K DRAM,開啟之後先人一步的DRAM戰略。

 期間,韓國芯片專利數量從1989年的708項激增到1994年的3336項,是其他國家總和的2倍之多,其中三星擁有2445項,現代擁有2059項。

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 4.2   財閥主導,中小企業依靠的產業結構

在財閥攻克後,韓國對半導體的熱情高漲,眾多中小企業紛紛進入。由於技術、資金等先決條件形成的門欄,這些企業較難突破三大財閥,衍變成為三星、海力士提供材料、設備、副產品加工的產業鏈結構。韓國半導體市場形成核心技術創造、上游設備材料供應、海外終端需求的完整鏈條。

 儘管企業之間多有競爭,但粗略來看,韓國半導體產業可以視作三星、海力士等頭部財閥的IDM模式放大版,形成以財閥主導帶領中小企業出口海外的行業策略。期間政府的作用多半在資金、政策環境等提供條件,領導能力不如其他國家。

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 4.3   瘋狂的對設備、材料、人才投資

半導體領域第一重要的為專業人才,第二就是材料設備,只有在這兩方面大量儲蓄才有可能實現技術升級。90年代日本在經濟泡沫與美國雙重打擊下,多數企業已沒有多餘資金投入再研發,此時的韓國猶如飢餓的野獸,以重金瘋狂吸引這些人才。正如NHK紀錄片《重登頂峰,技術人員20年的戰爭》提到,即使如東芝一樣著名日本領軍企業,也遭受人才流失問題,其中70%被三星以三倍薪資挖走。

 在政府基金、公司其他產業經營等支援下,韓國對半導體的投資逐年加大,即使全球半導體行業在09年金融風暴下不景氣也持續加大投資力度。通過“投資擴大生產影響芯片價格”,韓國擠走眾多競爭企業實現市場份額的進一步擴大。且因為2017年芯片價格的提升,三星反超英特爾成半導體第一企業。

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 5      中國台灣

Bloomberg BusinessWeek曾這麼形容台灣的半導體事業,“在全球半導體產業的地位無可取代,如同中東石油在全球經濟的角色”。從時間來看,台灣與韓國大約同時發展,在80年代台積電首創Foundry模式後,以代工切入迅速攀升國際地位。隨着產業發展與技術提升,90年代以晶圓代工為主逐漸完善上中下游產業鏈。據統計,2017年台灣IC產業總產值27623億新台幣(約898億美金),IC製造占49.5%,其中88.15%為晶圓代工,佔全球代工市場的76%。台灣半導體區別於韓國的崛起方式主要因為1)抓住行業需求積极參与全球化分工;2)新竹園區聚集效應與海外人才的迴流;3)包括工研院建立的政府政策、戰略規劃。

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5.1   全球化分工

類似韓國的發展路徑,台灣依靠早期給在台建廠的美日廠商做基礎低端加工起步,積累所需知識與技術。80年代末,抓住美國逐漸轉向Fabless模式推行全球縱向分工的機會,將利潤不高、投資金額大的芯片製造、封測轉進島內。初期,台灣在設計、製造、測試和封裝四個環節都有相應發展,但最終與韓國不同的主要原因在於1)技術始終落後,當時在台的美日廠商願意授權的僅為封測技術,缺少核心設計環節;2)韓國財閥可以依靠運營其他產業來給半導體行業提供資金支持,但台灣的中小企業僅從事半導體,90年代的兩次芯片價格下跌對台灣都造成巨大影響。因此,無領軍企業的台灣融資能力與抗壓能力次於韓國;3)台積電foundry模式的成功具有意義性質的示範作用,島內其他企業可以依照台積電複製成功。

 全球代工模式可以迅速獲得專利授權並打開市場,錯開與美日產業鏈有效降低與強國的競爭。因此,台灣積极參与代工把產業鏈延伸到島內,同時發揮生產成本優勢規模經濟,成功鞏固了全球代工地位

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 5.2   政府政策、戰略規劃

台灣當局在半導體行業發展起到以下三方面作用:

1技術引進與招商引資。最早的技術引進為1977年與美國RCA公司合作的7微米CMOS技術轉讓,並建立第一家半導體示範工廠,完成技術消化到實際生產能力。之後,通過民間技術轉讓來吸引民間資本投資再帶動海外資本入島,活化島內產業資金來源、發揮引導聚集作用。

2整體規劃與政策支持。針對台灣當時技術與資金情況,最早提出“積體電路計劃草案”。之後政府主導代工的發展方向,並在後期逐漸豐滿其他產業環節,提出例如“兩兆雙星”的發展目標。在發展過程中,輔以人才優惠,高科技企業稅收減免等大力度傾斜性扶持政策。據統計,台灣每年對創新技術的資助金額佔總規劃的20%以上。

3建立工研院,實行技術指引與組織交流職責1974年台灣效仿美國硅谷產學研模式建立電子工業研究中心,即工研院的前身。工研院主要職能為領頭規劃,加速人才與技術流通。此外,工研院還擔任最新技術研發工作,例如1975-1979第一期專案計劃的CMOS技術、1983-1987超大集成電路計劃的1-1.5微米製造與封測技術等。通過自身技術研發或引進,實現生產能力後再轉讓給民間其他企業,提高台灣整體半導體技術。最重要的是,工研院還扮演孵化器角色,台灣第一家設計與製造公司聯華電子(1979年)、全球最大晶圓代工廠台積電(1987年)、第一家8英寸生產線世界先進半導體公司(1994年)等均由工研院分衍出來。

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 5.3   產業園區的聚集效應與人才迴流

為了加強工研院影響能力、調整島內經濟結構,台灣當局1976年籌建以半導體為核心的新竹科技園區,並於1980年完成。首先,新竹園區從產業多方面吸引高科技企業來園區發展。管理方面,通過《科學工業園區設置管理條例》等進行專項規劃管理;稅收方面,園區規定新辦企業在9年內可任選連續5年免徵所得稅,5年後每年營業所得稅不超過20%;風投方面,開設政府“開發基金”,從19851990年共劃撥24億新台幣設立種子基金,也鼓勵例如宏大風險基金的民間投資。其次,發揮地理優勢加強信息技術溝通、互相競爭來提高台灣整體核心競爭力。這點在台積電、聯華電子、宏基等台灣半導體領頭廠商駐入後愈發明顯,從某個企業單純的代工模式到產業鏈全環節分布,形成聯合生產群。第三,海外人才的吸引、高校的合作提供豐富人才儲備。海外人才方面,台灣當局1985年在硅谷設立辦公室,監測學習先進技術的同時召集華裔工程師,台積電創始人張忠謀正是以此被請回台灣。1983-1997年,海外人才以平均42%增速回到台灣,得益於此,這段時間的台灣製程技術不斷提升。高校方面,與台灣清華大學、台灣交通大學、台灣電子技術研究院、中華工學院等眾多大學和研究機構合作,為新竹園區培養了一大批儲備人才。

 目前,新竹園區共487家企業,半導體相關企業占64.27%,銷售額佔比高達90%以上,僅集成電路一項就支撐起台灣半導體產業銷售額的31.25%,其重要程度不言而喻。

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 6      對中國大陸的啟示

6.1   目前發展迅猛但技術自主能力不強,供需不平衡

中國集成電路發展勢頭兇猛。據數據統計,2017年我國集成電路產業銷售額達5411.3億人民幣,同比增長24.81%。從產業結構來看,設計、製造與封測三大產業增速均高於去年同期。設計業佔比逐年攀升,產業結構從“大封測中製造小設計”到“大設計中封測中製造”轉型,產業鏈逐漸從低端走向高端,展現我國集成電路發展的突破。

 我國需求供給不平衡不匹配現象仍然嚴重,且將長期存在。2015年起,集成電路超越原油成為我國第一大進口商品,2017年出口金額663億美金,較進口2579億美金存在1916億美金缺口,缺口比例(缺口額/總進出口額)長期保持50%以上。從產品種類來看,微處理器與控制器長期占45%以上進口額,說明我國在CPUMPU核心器件芯片的自主設計生產能力依舊薄弱,需要依賴於人。

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 隨着經濟與政策、相對廉價勞動力支撐,目前半導體產業逐漸向中國轉移。正如開篇分析,半導體行業與宏觀經濟的強相關性將逐漸加強,我國每年的約6%GDP增速、例如集成電路產業投資基金等扶持政策都是推動我國集成電路發展的重要力量。以晶圓廠為例,據不完全統計,至2022年,包括海內外廠商約30座晶圓廠將在我國落地,主要聚集在上海、江蘇和安徽一帶。

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 6.2   啟示

從兩次半導體產業轉移展現出的各國與地區經驗來看,以美國為代表的領導者,依靠紮實的基礎研究、傾斜性支持政策、遊戲制定身份來長期維持行業壟斷地位。以日韓台為代表的追趕者,則從每次產業變遷抓住需求變動,依靠產業政策或財閥領導實現跨越式升級。其中,日本的失敗在於國家主權依賴程度高與對技術發展判斷失誤。

 對此,中國需要:

1強有力的政府領導作用。對待半導體行業,我國需開展類似對待“兩彈一星”策略,即從行業整體規划出發,輔以相關稅收減免、資金調配、技術與人才引進等政策。儘管我國近年加強對半導體行業的重視、將半導體集成電路列入發展綱要,但具體細節仍不夠規範,例如設計產權法規不夠明確、高科技企業稅收減免定義存在漏洞等,這些都需要政府加強指引。

2統籌規劃產業發展方向、技術路線,統一目標與認知。半導體產業龐大,涉及支線眾多,一個企業甚至一個國家無法做到全精通,對於尚在發展階段的中國更是如此。目前我國並無明確組織或機構部門統一規劃,出現三大產業發展較為平均卻無突出點無重心:設計方面,增長快但核心芯片知識產權掌握程度低、IP供給率低;製造方面,設備材料依賴於人、及技術落後造成的遏制發展現象已經明顯;封測方面,技術與利潤始終處於產業鏈低端。例如美國主攻高附加值領域、日本韓國DRAM起家與台灣專精代工,我國需從產業現狀出發明確發展方向,可以先加強製造,提升上游材料設備來提高製程技術、減少海外依賴,提升自主產權設計為最終目標來制定每三年或每階段發展目標,統一各界認知,凝聚產業力量。

3對比全球,繼續加強投資。由於我國半導體發展晚、技術落後,對比其他國家,我國無論在設計人才培養、製造材料設備購買、封測技術升級的花費金額更甚。儘管在國家集成電路產業投資基金帶領下,對60多個項目投約1400億人民幣,拉動整個產業投資,但長期發展留下的技術差異仍顯不夠。第二,投資無主攻目標。與產業整體無主要規劃發展方向相同,投資方面也顯得雜亂無章。從產業最大的集成電路產業投資基金來看,儘管投資總額大,但每個項目平均金額並不高,而且產業性質決定了無法全面優質發展,需要根據發展實情調配基金。

4大力度培養人才。目前我國集成電路人才面臨數量低、質量低和海外流出高的“兩低一高”問題。據《中國集成電路產業人才白皮書》統計,我國2017年集成電路從業人員規模約40萬人,其中設計類14萬、製造類12萬、封測類14萬。但每年僅12%集成電路專業畢業生最終進入行業就業,數量約3萬人,遠少於需求端數量。據估計,到2022年我國集成電路人才缺口將達32萬人。其次,面對行業發達國家教育、人才積累,我國缺乏複合型、經驗型人才,並每年流出一定比例。對於此,國家或學校需發揮主導作用,吸引海外優質人才的同時,加強“產學研”形式的學校、企業與政府的互動,培養本土人才,提高人才待遇、改善就業環境。

5建立區域性整體提高競爭優勢,發揮群聚效應。美國的硅谷、韓國的京畿道區與台灣的新竹工業園區在各自國家與地區半導體發展做出巨大貢獻。目前,我國半導體產業主要集中在上海、江蘇、安徽等地區,有向中部的四川、湖北遷移趨勢,但仍沒有形成大規模區域整體。對此,學習美韓台經驗,利用地理優勢加強地區性產業規劃來發揮群聚效應,聯合配套設施、政策、教育、企業帶動知識與技術的高效流動、活化資金,先以培養某些龍頭來帶動整個地區產業發展,集中力量辦大事。

6堅持政策自主,保持發展獨立性。80年代美日兩次簽訂的半導體雙邊協議,正是因為日本在軍事與國防高度依賴美國而無法保持政策的獨立自主,令日本尚未實現技術全方位壓制就遭受打擊,嚴重拖累日本半導體發展。因此,面對此次美國借貿易戰名義打壓遏制“中國製造2025”為代表的高科技領域,我們要堅持自主底線,不能受到外界壓力喪失自主權。

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