專家警告美國軍用晶片供應面臨嚴重危機

作者 : Alan Patterson,EE Times特約記者

如果台灣在接下來十年發生戰爭,美國國防部的因應能力可能會受到俄烏戰爭、商用買家的競爭以及對亞洲半導體供應商的過度依賴…等挑戰。

根據產業人士與政府事務觀察家的看法,由於對美國國內製造產能的投資不足,美國國防部(DoD)可能要花幾年的時間才能擺脫對亞洲晶片的依賴。

全球晶片缺貨狀況阻礙了像是洛克希德˙馬丁(Lockheed Martin)、雷神(Raytheon)等國防軍事供應商提升供應俄烏戰爭(Russia-Ukraine War)使用的武器。美國國防部還必須估算來自商用買主對晶圓代工廠產能的競爭,以及軍方對較舊晶片架構的過度依賴。因此人們開始疑慮,美國可能有長達十年的時間難以因應與台灣有關的戰事,而諷刺的是,台灣就是為美國國防部供應晶片的半導體製造商大本營。

在持續升溫的美、中緊張情勢之中,台灣位處中心;根據台灣國防部消息,在2022年12月25日,中共有71架次軍機擾台,其中有47架次跨越台灣海峽中線,創史上新高紀錄。而這樣的干擾行動就發生在美國總統於美國時間2022年12月23日正式簽署《2023年國防授權法案(2023 National Defense Authorization Act)》、同意在接下來五年提供台灣100億美元軍事援助之後不久。

不過根據曾創立包括iDeal Semiconductor、Agere Systems等公司的電子工程領域專家Mike Burns表示,美國國防部可能需要十年的時間才能建立可靠的國內供應鏈,問題在於像是英特爾(Intel)等美國業者多快能追上台積電(TSMC)的腳步。目前台積電是應用於包括F-35戰鬥機、導彈與指揮控制設備等美國國防部武器系統之FPGA元件──包括來自Altera (EETT編按:已被Intel收購)與Xilinx (EETT編按:已被AMD收購)──與其他晶片的主要生產者。

「也許只要三年的努力,」Burns接受《EE Times》訪問時表示,「但我已經講這個講好幾年了。」可以確定的是,台積電在12月已經宣佈把對美國亞利桑那州鳳凰城新據點的投資增加至三倍達到約400億美元,預計在2026年於美國打造生產3奈米節點的第二座晶圓廠。

不過Burns也指出,雖然蘋果(Apple)、AMD等公司會向台積電亞利桑那州晶圓廠採購晶片,但該廠可能不會是美國國防部的供應商;「我不認為台積電會做這門生意,」他表示:「如果你看過他們對美國工程師的態度,他們似乎對他們不太滿意。」

台積電經常表示,該公司會將最先進的製程留在台灣;這家全球最大晶圓代工廠有九成以上的產能都在那裡。2022年台積電已經在台灣開始生產3奈米節點,領先美國數年。而台積電與在美國亞利桑那州晶圓廠雇用的一些工程師存在文化衝突;Burns認為,因為這個挑戰以及台積電將專注於服務Apple、AMD等大客戶,使得Intel等較小型的晶圓代工業者會更適合作為美國國防部的供應商。

「這將取決於Intel,」他指出:「該公司的代工服務可以製造落後台積電一至兩個世代製程的ASIC,也許這可以彌補差異。」Intel在幾年前收購了FPGA供應商Altera,後者本來是委託台積電生產那些性能雖不如ASIC、卻能輕易修改的可程式化晶片。而美國國防部被迫依賴FPGA元件,是因為找不到像是台積電或三星(Samsung)那樣的大型晶圓代工廠,為其武器系統生產客製化ASIC。

來自Apple、AMD等商用客戶對晶圓代工產能的競爭,削弱了像是美國國防部這種小型買主的採購力。Burns指出,就算是總部在美國的GlobalFoundries等業者也會將美國國防部的優先順序往後排;「GlobalFoundries有一大群推動量產的商用客戶,我們卻永遠不會知道軍用晶圓數量有增加,以及那會持續多久?它們通常是高成本、低產量,而且產量是不可預測的。」

Bryan Clark (來源: Hudson Institute)

Hudson Institute資深院士Bryan Clark (來源: Hudson Institute)

美國智庫哈德遜研究所(Hudson Institute)資深院士Bryan Clark接受《EE Times》訪問指出,美國軍方仰賴舊有,或者說較舊的晶片架構,通常不被廣泛採用而且必須以少量、專有製程生產。「當晶片缺貨情況發生,生產晶片的業者若為家電、車輛打造晶片可以賺到更多錢;」他表示:「如果美國國防部可以採用更多商用架構的尖端晶片,並透過封裝或軟體的方式來採用它們,就能利用商業量產的規模,也比較不會受到晶片供應中斷的影響。」

中國──最近正被美國的晶片出口管制措施懲罰──也面臨自己的供應鏈問題;美國視中國為「戰略競爭對手」,在5G、人工智慧(AI)等技術領域是一大威脅。「中國軍方已經有很大的一部分採用商用晶片,不過完全仰賴美國與西方的技術來打造那些晶片,或者得從潛在敵方像是日本、台灣採購那些晶片;」Clark表示:「中國軍方因此能更妥善因應供應鏈中斷,但是在面對基於國家安全理由而發生的供應中斷時準備不足。」

採用性能落後ASIC的FPGA元件

Burns表示,美國國防部需要為像是烏克蘭戰爭帶來的大幅需求保留一定的產量;他在三年前曾向美國國會提案,指出美國政府應該出資補助一家與像是台積電合資的先進晶圓廠,專門支援美國國防部的產能。他補充,像是SkyWater等美國本地的小型晶圓代工業者,無法滿足美國國防部對先進晶片的需求。

「儘管我們在90奈米與130奈米節點採用SkyWater,我們仍然需要先進運算,但我們無法取得;」Burns表示:「沒有可信任的晶圓廠會做5奈米製程的運算晶片。我們傾向採購FPGA然後在美國進行配置,而如何配置就可以是機密。但對於任何一種FPGA,在性能上就必須有所折衷,因為專門打造的ASIC速度會更快。」針對以上看法,美國國防部並未對《EE Times》要求評論的採訪需求做出回應。

而像是雷神等武器系統供應商則表示,晶片缺貨情況限制了他們擴大生產的能力。「在供應鏈沒有魔法公式可以加快這個速度,」雷神執行長Greg Hays在12月初接受美國電視新聞台CNBC訪問時指出:「我們正在盡力嘗試縮短交貨期間,但是有上千個零組件。不令人意外的,晶片是這些這輩中的關鍵元素,我們正在與國防部合作尋求其他替代方案,或許是在一些供應商方面。」

洛克希德˙馬丁則在2022年10月中旬的財報會議上表示,該公司今年的銷售業績跟去年相較的變化很小,在新冠病毒疫情影響與供應鏈挑戰下,預期要到2024年才會恢復成長。Raytheon與Lockheed Martin在美國都有經營製程老舊的晶圓廠,也都在美國國防部的可信任供應商名單之中。

令人憂心的美國武器庫存量

雷神與洛克希德˙馬丁製造包括標槍(Javelin)以及刺針(Stinger)等協助烏克蘭擊退俄羅斯入侵的武器,不過根據美國智庫戰略暨國際研究中心(Strategic and International Studies,CSIS)報告,美國的彈藥庫消耗量令人憂心;該份在2022年9月發表的報告指出:「有部份美國武器庫存量已來到戰爭規劃與訓練所需的最低水位。」

CSIS報告亦指出,美國國防部已經提請國會批准提升高機動性砲兵火箭系統(High Mobility Artillery Rocket Systems,HIMAS;EETT編按:簡稱海馬斯火箭系統),以及導引式多管火箭系統(Guided Multiple Launch Rocket Systems,GMLRS)產量所需資金。不過,該產業的一貫立場是,美國國防部應對多年期採購案做出承諾,以證明產業對大幅提升產能的投資是有需要的。

一項CSIS的研究檢驗了國防工業基地在緊急狀態下替代庫存的能力,發現該過程在大多數項目下會需要花費數年時間。該中心指出,像是HIMAS與GMLRS等導引式火箭相當有用,但數量可能有限;「美國迄今生產的5萬5,000枚火箭估計剩下約2萬5,000到3萬枚。」

CSIS的報告指出:「若美國將三分之一庫存量運往烏克蘭(像是標槍與刺針飛彈),就是約8,000至1萬枚火箭,該庫存量可望維持數月;但當庫存量耗盡,就沒有替代選項。火箭產量一年約5,000枚,儘管美國正努力提升該數字,近期也已為此目的撥款,仍需要數年時間。」

前美國海軍上校、捍衛民主基金會(Foundation for Defense of Democracies,FDD)資深研究員Mark Montgomery與FDD軍事與政治權力中心(Center on Military and Political Power)資深主任Bradley Bowman在一篇投稿《國防新聞週刊》(Defense News)的文章中指出,美國2015年批准銷售台灣的超過200枚標槍飛彈與發射器,還有250套刺針系統尚未交貨,有鑑於支援烏克蘭以及回填美國與盟軍武器庫存量的需求,預期能在2026或27年交貨恐怕不切實際。

CSIS的報告則指出,美軍的架構不是為了戰鬥或是支援擴大的衝突,因此「該議題本身在美國國家安全機構內部,應該會引起一些預算優先性的爭議。」

美國智慧型軍火「嚴重耗盡」

美國國防部可能會指望Intel能供應「超越摩爾定律」(More than Moore)的晶片,也就是利用異質整合包括類比等功能以實現附加價值,但不一定要採用依循摩爾定律的更微縮製程節點。市場研究機構TechInsights分析師Dan Hutcheson接受《EE Times》訪問表示:「美國的智慧型軍火庫存已經嚴重耗盡,而那類武器主要是仰賴超越摩爾定律的解決方案。」

Dan Hutcheson (來源:TechInsights)

TechInsights分析師Dan Hutcheson (來源:TechInsights)

他指出,Intel會需要完成規劃中與以色列Tower Semiconductor的合併,才能滿足美國國防部的期望;「Intel仍得完成與Tower的交易,才能擁有完整的超越摩爾定律解決方案。這隨著該公司每一週延長期限而看來可能性越來越低;」Hutcheson也表示,Intel必須要讓Tower的以色列晶圓廠取得美國政府可信任晶圓廠以及美國國際武器貿易條例(ITAR)的認證。

Intel的晶圓代工業務部門(IFS)一直在留住美國國防部這個最大客戶方面遭遇挫折;IFS總裁Randhir Thakur已在2022年11月22日提出辭呈。根據Intel發言人Jason Gorss表示,Thakur會待到2023年第一季以確保其業務能順利交接給接班人

而晶片業老將Burns指出,要把像是Intel這樣的IDM製造商轉型成晶圓代工廠相當困難,「Samsung做到了,台積電則是從一開始在企業文化上就是設定為服務第三方設計業者,它們提供了很多額外的好處留住員工,轉換的成本非常龐大。」

美國國防很「脆弱」?

前任美國眾議院常設選任情報委員會(U.S. House Permanent Select Committee on Intelligence)主席Mike Rogers接受《EE Times》訪問時也表示,美國國防部需要幾年時間才能建立一個不依賴中國等亞洲國家的安全晶片供應鏈。

「我們在美國確實有一些特殊的能力可製造高階晶片,但卻沒有足夠的所需產量;」Roger指出:「我們透過向全世界採購來補足,中國佔據其中一大部份。如果微處理器的更改超越了原本規格,武器系統可能無法在應該啟動時啟動,導致我們有大批水陸士兵或是海軍陸戰隊員死傷。我是否認為這讓我們變得脆弱?我確實這麼認為。」

Rogers指出,美國《晶片法案》(CHIPS Act)就是為了彌補那些弱點。「那確實是有缺陷的法案,但仍是朝著正確方向邁出了一步,認識到我們必須要擁有的能力。我們將不得不找出美國應該要有的正確平衡,以防我們確實需要那些晶片的地方有事情發生;」他表示:「我們會受到人們放慢生產速度或是停產、延遲生產的影響,我們應該永遠不讓自己陷入該境地。我們必須要解決這個問題,這也是為何你會看到有大量經費用於投資晶片製造能力,無論是美國本身或是強大盟友。」

Burns則斷言,美國政府應該要將《晶片法案》520億美元預算的一部份分配給軍用晶片廠,因為有太多資金可能會流向美光(Micron)、德州儀器(TI)、台積電等公司。「然後像是雷神、SkyWater與TSI Semiconductor等美國本地業者,什麼都沒有改變;」他指出:「它們的商業模式相當艱困,投資者未能注入資金,面臨的大問題是多快能實現產量提升。」

 

編譯:Judith Cheng

(參考原文:Experts: U.S. Military Chip Supply Is Dangerously Low,By Alan Patterson)

 

 

 

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