美国欲锁死中国高端芯片10年

美国芯片法案在参议院获得程序性投票通过后，可能于下周获得正式通过。图/新华社

当地时间7月19日，美国参议院以64票对34票程序性通过了520亿美元芯片法案。接下来，该法案可能将于下周在参议院获得正式通过。

美国芯片法案的母本，是两年前美国出台的《为美国创造有益的半导体生产法案》。一年以前，这个法案融入了内容庞杂的“美国创新与竞争法案”，成为其六个法案中的一个。

FABS计划投资2500亿美元以“应对中国挑战”。结果，2500亿美元的大蛋糕引发各方觊觎，美国参众两院各方利益代言人对法案加加减减，最终因达不成妥协，在美国参议院通过后就停滞下来了。

现在的趋势是，先通过美国芯片法案，“美国创新与竞争法案”将专门针对制造和设计在以后讨论。

美国芯片法案虽然摆脱了“美国创新与竞争法案”立法进程中的各种缠斗，但能否提振美国芯片业还是未知之谜。

拜登政府急于推出芯片法案，也有基于中期选举选情考虑的小算盘。图/新华社

立法提速有中期选举考量

拜登政府最近一直在呼吁尽快推出芯片法案。7月13日，拜登派商务部长雷蒙多、国家情报局局长海恩斯和国防部副部长希克斯参加了不对外的全体参议员简报会，以推进芯片法案。这是美国参议院7月19日通过芯片法案的关键原因。

拜登政府之所以要给芯片法案立法提速，原因首先在于，美国芯片供应不畅，极大推高了美国制造业的成本。据报道，2021年由于芯片短缺，使美国经济损失了2400亿美元。

而且，美国国会将于8月休会，如果不能在此之前推进芯片法案，等国会复会后，议员们的注意力将转向中期选举。中期选举具有相当大而且是不利于民主党的不确定性，芯片法案的推进很可能被延宕。

如果芯片法案能尽快获得通过，则可以帮助中期选举的选情向有利于民主党的方向发展。该法案的520亿美元均用于建厂补贴和税收减免，显然有助于民主党赢得制造业的支持。拜登政府的小算盘无疑在此。

美国芯片法案实际是逼迫英特尔等国际芯片大厂进行政治站队。图/新华社

逼迫国际芯片大厂选边站

由于芯片法案还在国会转圈，因此现在还没有全文公布。但据估计，该法案针对中国的部分，是将要求美国补助的企业在美国建厂后，10年内不得扩大对中国高端芯片的投资——也就是14NM及更小芯片的在华投资。

这等于是强迫高通、英特尔、AMD、得州仪器、英伟达、三星等国际芯片大厂在中美之间选边站，同时也可能波及阿斯麦尔这样的国际光刻机巨头。

美国还预备了第二手，即建立美国、日本、韩国以及中国台湾组成的“芯片四方联盟”。美国在今年3月份就提出了这个构想，但一直没有实质进展。这两天，美国财长耶伦正在韩国访问，呼吁强化韩美电池同盟，游说韩国加入“芯片四方联盟”。

当然，建立这种封闭市场的联盟是没有太大意思的。事实上，韩国和中国台湾的芯片企业就不那么配合。所以，美国放出了又一个诱饵，就是搞“友岸外包”。这个概念的意思是，把美国的芯片订单交给所谓美国朋友圈的企业。美国的“印太战略框架”搞的也是这一手。

2021年6月24日，北京航空航天大学集成电路学院科研人员在5个原子层厚的纳米磁性薄膜上写下“中国芯”。图/新华社

将进一步动摇全球供应链

但是，即使美国芯片法案落地实施，520亿美元都花到了位，对中国芯片业的遏制也恐怕达不到美国的预期。

首先是资金规模不大。三星准备在美国建厂，仅其一家的计划投资就达到了170亿美元。美国520亿美元就想实现遏制中国芯片业的战略目的，实在有些想当然。

而且，国际芯片大厂很可能采取高中低端芯片分别建厂的策略，以保证在规避芯片法案约束的同时，维持中国市场。

最重要的是，美国的一系列制裁措施，迫使中国自主发展芯片业，而且已取得显著进步。目前，美国芯片业的世界市场份额为12%左右，而中国已经赶到了10%左右。

此外，14NM-90NM的中低端芯片已能够满足从手机到汽车业的大部分现有需求。也因此，美国通过控制上游芯片阻碍中国制造业的成本正变得越来越高。

当然，也要看到，从光刻机到高端芯片，中国企业目前还没有摆脱受制于人。有统计认为，中国芯片业的自给率现在只有16.7%，距离2025年自给率达到70%的目标还有相当长的路程要走。

不过，芯片业的竞争，长远看谁的产业链更完整、市场规模更大，谁的关键原材料话语权更大，谁就可能胜出。在这三个方面，美国目前并不占优。

哈佛大学教授艾利森和谷歌公司前首席执行官埃里克·施密特曾联合撰文指出，“美国处在输掉这场芯片竞争的边缘”。英国资本市场研究机构“推介誊录”的一篇报告说，在半导体行业，全球风险投资大多数的风投资金流向了中国公司。

在此现实背景下，可以说，美国在半导体芯片业分割市场、封闭市场的新行动，不会给美国带来多少收益，反而有可能进一步动摇本已十分脆弱的全球供应链。

5G到底是什么？

5G的全称是第五代移动通信技术（5th generation mobile networks），

1G（语音通话）：第一代(1G)于20世纪70年代末推出，80年代初投入使用。1G网络是利用模拟信号使用类似AMPS和TACS等标准在分布式基站(托管在基站塔上)网络之间?传递?蜂窝用户。

2G（消息传递）：在20世纪90年代，2G移动网络催生出第一批数字加密电信，提高了语音质量、数据安全性和数据容量，同时通过使用GSM标准的电路交换来提供有限的数据能力。

3G（有限数据：多媒体、文本、互联网）：20世纪90年代末和21世纪初，3G网络通过完全过渡到数据分组交换，引入了具有更快数据传输速度的3G网络，其中一些语音电路交换已经是2G的标准，这使得数据流成为可能，并在2003年推出了第一个商业3G服务，包括移动互联网接入、固定无线接入和视频通话。

4G和LTE（真实数据：动态信息接入，可变设备）：4G充分利用全IP组网，并完全依赖分组交换，数据传输速度是3G的10倍。由于4G网络的大带宽优势和极快的网络速度提高了视频数据的质量。LTE网络的普及为移动设备和数据传输设定了通信标准。

而5G相比于4G则增加了高速率、泛在网、低功耗、低时延的特点，从而具备超大网络容量，提供千亿设备的连接能力，满足物联网通信。目前，5G时代定义了以下三大应用场景：

eMBB：增强移动宽带，顾名思义是针对的是大流量移动宽带业务；

URLLC：超高可靠超低时延通信，例如无人驾驶等业务（3G响应为500ms，4G为50ms，5G要求0.5ms）；

mMTC：大连接物联网，针对大规模物联网业务；

而5G标准则被分成了分成了R15、R16两大阶段，其中R15又分为三部分，R15 NR NSA(新空口非独立组网)标准2017年12月完成，R15 NR SA(新空口独立组网)标准2018年6月完成，后边的5G Late Drop于今年6月份冻结，而R16标准完成时间则要到2020年6月，到那个时候，5G所有标准才算完成。R15标准主要是5G组网方式，而R16主要是面向智慧工厂、无人驾驶等垂直领域应用。

如今完成的R15阶段的NSA和SA一直被人所广泛热议。

为什么会有NSA也就是非独立组网出现呢？不同于以往2G/3G/4G整体演进，5G时代核心网、基站被分开了，所以就多出了多种组合方式。R15 Late Drop标准也是为 NSA 增加了更多的组合方式，可以令移动运营商可以更便捷部署5G网络，主要是增加NSA非独立组网模式，转换为5G作为核心网，增加了5G基站为主，4G基站为辅；或者4G基站为主，5G基站为辅两种状况。此外还支持NR-NR双连接，意思就是手机同时连接到两个不同频段上，低频作为覆盖层，高频充当扩容层，既保证了信号覆盖又能提高传输速率。

目前商用的5G手机中只有华为手机支持SA组网，SA组网是未来发展趋势，但并不代表NSA是假5G，目前中国运营商很多都是用的NSA，5G的发展是由NSA向SA过渡的。明年所有手机都会支持NSA/SA，建议大家明年再买！

5G两大方案：Sub-6G和毫米波

5G的建设方式有独立组网和非独立组网两种，那你想要建设什么样的5G，其实也有两种，也就是我们说的5G两大方案：Sub-6G和毫米波。

这两种方案是根据5G所使用的不同频谱来划分的，频谱是频率谱密度的简称，手机通讯信号传输都是通过一定频率传输的。

根据2017年12月发布的 V15.0.0版TS 38.104规范，5G NR的频率范围分别定义为不同的FR：FR1与FR2。第一种（FR1）的重心放在6GHz以下的电磁(EM)频谱上(?低到中频段频谱?，也称为?Sub-6?)，主要在3GHz 和4 GHz频段。第二种FR2侧重于24~300GHz之间的频段(?高频频谱?或?毫米波?)。

5G NR的频段号以?n?开头，与LTE的频段号以?B?开头不同。目前3GPP指定的5G NR频段如下：

① FR1（Sub-6GHz）范围内：

② FR2（毫米波）范围内：

波长较短的毫米波会产生较窄的波束，从而为数据传输提供更好的分辨率和安全性，且速度快、数据量大，时延小。其次，有更多的毫米波带宽可用，不仅提高了数据传输速度，还避免了低频段存在的拥堵（在研究毫米波频率应用在5G之前，该频段的主要运用在雷达和卫星业务）。5G毫米波生态系统需要大规模的基础建设，但可以获得比4G LTE网络高20倍的数据传输速度。

高通在MWC的展示中，通过运用毫米波技术，达到了4.63Gbps的网络传输速率，这是一个在4G时代无法想象的快速。

但受制于无线电波的物理特性，毫米波的短波长和窄光束特性让信号分辨率、传输安全性以及传输速度得以增强，但传输距离大大缩减。

根据谷歌对于相同范围内、相同基站数量的5G覆盖测试显示，采用毫米波部署的5G网络，100Mbps速率的可以覆盖11.6%的人口，在1Gbps的速率下可以覆盖3.9%的人口；而采用Sub-6频段的5G网络，100Mbps速率的网络可以覆盖57.4%的人口，在1Gbps的速率下可以覆盖21.2%的人口。

谷歌测试结果对比，上为毫米波覆盖，下为Sub-6覆盖

可以看到，在Sub-6下运营的5G网络覆盖率是毫米波5倍以上。而且建设毫米波基站，需要大约在电线杆上安装1300万个，将花费4000亿美元，如此才能保证28GHz频段下以每秒100 Mbps速度达到72%的覆盖率、每秒1Gbps的速度达到大约55%的覆盖率。而Sub-6只需要在原有4G基站上加装5G基站即可，大大节省了部署成本。

目前因为美国政府尤其是军方将大量3-4GHz范围内的频段用于军用通信和国防通讯，迫使美国只能选择押注毫米波。

中国选择押注Sub-6G，按3GPP关于5G的频谱范围规范，联通、电信舍弃了之前的频谱资源，换来了目前产业成熟度最高的3.5GHz资源（3400MHz-3500Mhz分配给中国电信，3500MHz-3600MHz分配给中国联通）；移动则在2.6GHz频段和4.9GHz频段上持续深耕。

另外，中国虽然押注Sub-6G，但是并没有放弃对毫米波的探索，充分贯彻了鸡蛋不放在一个篮子里的理念。

中美5G建设状况

刚才我们说道，美国5G毫米波存在缺陷，所以目前Sub-6G中的3Ghz和4Ghz之间的频谱波段主导了全球的5G活动，因为相比于毫米波频谱，3Ghz和4Ghz的传播范围得到了改善，能用更少的基站数量提供相同的覆盖范围和性能。

而中国也成为了全球5G的领先者，并且有望成为5G全球经济的领导者，构建5G全球标准：

中国计划部署第一个广泛使用的5G网络，其首批Sub-6网络服务将于2020年投入使用。先发优势可能会推动智能手机和电信设备供应商以及国内半导体和系统供应商的市场大幅增长。因此，中国的互联网公司将为其国内市场开发基于5G速度和低延迟性能的服务和应用程序。随着5G在全球以类似的频段部署，中国的智能手机和互联网应用及服务很可能占据主导地位，即便它们被美国市场排除在外。中国在5G领域的发展，将重现美国在4G领域的辉煌。

在海外，中国一直在与国家和外国公司保持合作，以扩大其5G的影响力。在欧洲，尽管美国官员要求盟友阻止中国公司，华为和中兴仍然正在为个别国家的5G网络提供建设的服务，并签署了多项5G合同。此外，中国在?一带一路?计划中投入了大量时间和资源，包括推动中国建设的网络基础设施，以提供跨越整个路线的连通性。这一策略已经取得了一些成功：在2018年第三季度，华为在全球通信设备市场占有28％的份额，比2015年上升了4个百分点。随着更多地区的5G网络依赖中国通信设备推出，预计华为的市场份额将继续增长。这些努力将使中国能够推广其首选的5G网络标准和规范，并将在未来主导全球的5G产品市场。

而美国还在思考如何完全解决毫米波的缺陷，目前美国试图通过大规模MIMO和波束赋型改善毫米波的传播效率。

大规模MIMO是一种天线阵列，它将极大地扩展设备连接数和数据吞吐量，并将使基站能够容纳更多用户的信号，并显著提高网络的容量(假设存在多个用户射频路径)。波束赋型是一种识别特定用户的技术，该技术可以最有效的把数据传递给特定用户并减少附近用户的干扰。虽然这些技术可以改善毫米波的传播效率，但是在更大范围内保持连接稳定仍然存在挑战。在将毫米波作为一种更通用的无线网络解决方案部署之前，还需要投入大量的时间和研发成本来解决毫米波的传播特性问题。

除此之外，美国还在思考是否要转投Sub-6G方案，跟着中国走。

加速在美国进行5G 6 Sub-6 GHz的部署。向复杂的多频段收发器添加新频段大约需要两年时间，美国将能够通过利用市场上已有的子组件和设备来实现更成熟的频谱使用，例如使用现有的高通产品来实现中国5G系统使用的频段，从而避免花费额外的时间来弥补追赶这两年在5G研究上的落后。

然而即使通过共享频谱的方式，也需要花费5年：

想要允许Sub-6频段的商用，可以重新规划政府的频段或者共享这些频段，但这两个方式的时间都相对过长。清除频谱占用(将现有的用户和系统迁移到频谱的其他部分)，然后通过拍卖、直接分配或其他方法将其释放到民用部门所花费的平均时间通常在10年以上。共享频谱是一个稍微快一点的过程，因为它不需要对现有的用户进行彻底的改革，但即使是这样，也要花费5年以上的时间。

可以说目前美国已经陷入了5G的困局之中，而中国在5G的发展上正走得十分稳健。工信部近日表示，目前各地所推进的基本上为非独立组网的5G网络，预计明年我国正式大规模投入建设独立组网的5G网络。

中国信息通信研究院的《5G产业经济贡献》认为，预计2020至2025年，我国5G商用直接带动的经济总产出达10.6万亿元，间接拉动的经济总产出约24.8万亿元，5G将直接创造超过300万个就业岗位。

最为重要的是，中国将可能成为全球5G的领导者，重现美国在4G时代的全球经济主导权。

数据来源：美国国防部国防创新委员会发布了《5G生态系统：对美国国防部的风险与机遇》（《THE 5G ECOSYSTEM: RISKS & OPPORTUNITIES FOR DoD》）报告

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