中国商务部宣布对镓和锗进行出口管制后，引发了西方政策界的高度关注。今天分享战略与国际研究中心(CSIS)近期的一个报告（点击“阅读原文），该报告研究了美国对镓的需求现状与主要问题，结论是：镓在当前的国防科技领域具有不可替代的地位，也将在半导体行业转型中发挥关键作用。中国基本垄断了镓及其化合物的生产、开采、冶炼、提纯、回收利用等环节。美国需建立自己的镓产业链，并与盟友一同建立完善的镓价值链，以缓解中国限制措施带来的冲击。
报告全文如下：
数十年来的全面产业政策使中国几乎完全垄断了镓，镓是一种用于生产高性能微芯片的关键矿物，可以为美国一些最先进的军事技术提供动力。北京最近限制了镓的出口，如果不能解决镓供应链中明显的脆弱性，可能会给美国及其盟国带来严重的国家安全和经济挑战。
介绍
2023年7月3日，当中国商务部宣布计划对镓的出口实施新的限制时，一种以前默默无闻的镓矿物被推到了聚光灯下。这些措施于 2023年8月1日生效，其已经撼动了全球供应链。这一限制主要是为了展示中国为地缘政治利益而将关键矿产武器化的能力和意愿。
截至2022年，中国生产的原料镓占全球产量的98%。这种虚拟垄断很大程度上是由于中国大多数镓的提取过程处于领先地位。在过去的几十年里，政府的深度补贴和税收优惠推动了中国国内金属行业的迅速崛起，迫使全球大多数生产商倒闭，使中国成为世界上仅存的镓生产国之一。
镓在现代电子供应链中发挥着关键而独特的作用，尤其是在国防工业中。其独特的性能使其作为生产对下一代导弹防御和雷达系统以及电子战和通信设备等先进能力至关重要的专用半导体。
镓市场的中断可能会给美国和盟国的国防工业带来重大挑战，并造成数千亿美元的经济损失。中国对生镓供应的束缚是美国及其伙伴的关键弱点之一。幸运的是，美国及其盟国可以采取明确的措施来限制他们对中国关键矿产垄断的风险。
镓的革命性特性
镓的化学和物理特性使其非常适合用于高性能应用，如先进的军事装备。镓可以与其他材料结合，生产一类称为宽禁带半导体的特殊芯片。与传统硅芯片相比，这些芯片可以处理更高的温度、电压和频率，使其更小、更快、更高效。
镓芯片长期以来一直推动着军事技术的进步。在上世纪70年代，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）主导了孵化镓作为新一代半导体材料。在DARPA的支持下，研究人员开发了一种名为砷化镓（gallium arsenide，GaAs）的化合物，它推动了美国全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、精确制导武器和雷达的进步。
DARPA也研发了一种名为氮化镓（gallium nitride，GaN）的化合物，较GaAs更为先进。GaN正在彻底改变现代雷达，允许新的雷达模块从近两倍的距离跟踪更小、更快、数量更多的威胁。这些尖端雷达系统中有许多芯片作供电，这些芯片均由数千块镓化合物做支持。
美国和盟国武装部队正在迅速将GaN增强雷达纳入其最重要的平台。2019年，雷神公司（Raytheon）获得了一份价值3.83亿美元的合同，为美国陆军的低级防空和导弹防御传感器建造首批六台支持GaN的有源电子扫描阵列雷达，这些雷达正在集成到爱国者导弹防御部队和其他系统中。2023年6月，波兰获得了 LTAMDS 雷达系统的首批海外销售成品。
与此同时，诺斯罗普·格鲁曼公司正在开发AN/APG-85。这是一种先进的AESA雷达，由GaN支持，用于F-35闪电二型联合攻击战斗机。美国海军陆战队自2019年来已经部署了诺思罗普的AN/TPS-80地面雷达系统。2022年，美国国防部授予雷神公司一份价值32亿美元的合同，为多达31艘舰艇配备GaN动力AN/SPY-6系统雷达，包括海军新型阿利伯克级三型驱逐舰、航空母舰和两栖舰艇。这些升级有望使美国和盟军能够更加有效地防御高超音速导弹、下一代隐形飞机和无人系统等新兴威胁。
镓基芯片在商业领域也越来越重要。5G基站硬件需要高效的高频接收器，因此GaN在为射频技术供电方面的价值对其十分重要。GaN的密度和效率也加速了其在功率器件中的采用，这有助于快速为智能手机、笔记本电脑、电动汽车和数据中心等设备供电。像苹果这样的消费电子行业巨头最近开始在下一代充电器中使用GaN，标志着该行业更广泛的转变。镓也是太阳能电池和电动汽车等绿色技术的关键投入原料。
镓在未来的重要性预计会继续增加。随着芯片制造的不断进步突破摩尔定律的极限，行业专家将镓化合物视为超越硅基芯片的一种潜在方式。到2030年，这些趋势预计将推动全球GaN芯片市场每年增长25%。
战略弱点
关键行业对镓的需求不断增加，增加了确保矿物稳定供应的风险。突然的镓供应冲击将对国防制造商和更广泛的经济安全产生影响。美国地质调查局专家2022年的一项分析发现，如果镓供应中断30% ，就可能导致美国经济产出下降6020亿美元，占GDP的2.1%。
对工业生产的连锁影响可能会对关键防御系统的制造造成重大挫折。尽管国防制造商仅占全球镓最终用途的一小部分，但半导体和其他关键电子产品供应的短缺和中断可能会给国防公司带来长期挑战。美国军方的许多主要GaN芯片供应商也依赖于向民用客户大量销售的收入。商业运营的中断可能会使他们满足国防工业对镓基系统日益增长的需求的能力复杂化。
华盛顿及其盟友多年来一直意识到这些风险。自2018年以来，美国地质调查局已将镓纳入其关键矿物清单的迭代中，其对关键矿物的最新审查将镓列为五十项供应风险的第一名。欧盟同样将镓确定为“战略原材料”，近年来升级了其供应风险评估，理由是“中国的全球生产集中度更高”。日本政府已将镓列为对其国家安全至关重要的18种矿物之一。
中美紧张局势加剧进一步加剧了人们的担忧。2020年，特朗普政府宣布美国的关键矿物依赖（包括镓）为国家紧急状态。2021 年，拜登政府发布了一份为期 100 天的供应链评估报告，警告美国对中国的镓依赖会带来中断风险，这将“对半导体生产产生深远影响”。
然而，美国和他国政府对关键矿物的政策严重偏向于确保获得新兴绿色技术所需的特定投入，这些政策主要包含锂、钴等矿物。例如，政府和行业领导者对镓等鲜为人知的矿物缺乏关注，使其对可能的中断后果毫无准备。
中国政府2023年8月对镓的出口管制明确表示，华盛顿及其盟国需要将目光投向电池制造矿物以外的其他具有重要战略意义的资源。中国官方媒体将新规定描述为对美国、日本和荷兰为限制中国获得先进半导体和芯片制造设备而实施的出口管制的直接回应。
这些限制的全部效果还有待观察，最终将取决于中国选择从全球市场扣留多少镓。尽管如此，此举表明北京愿意利用其对关键矿产的控制，作为中国与美国及其盟国日益激烈的技术竞争的工具。
中国如何主宰全球镓供应
中国对镓供应链的控制是间接实现的。镓与其他一些关键矿物（如锂、镍和钴）的不同之处在于它不是直接从地球上回收的。相反，镓主要是加工铝土矿的副产品，铝土矿是生产铝的主要矿石。因此，镓的生产与全球铝市场的动态密切相关。
中国作为工业强国的崛起推动了其铝行业的爆炸性增长。在广泛的政府补贴和税收优惠推动下，中国的铝产量在2000年至2022年期间增长了十倍(从420万吨增加到4020万吨)。如今，中国供应的铝约占世界铝产量的59%。但由于铝土矿开采的环境成本高，利润率低，中国已逐渐转向进口矿石以满足国内需求。
中国在铝领域的领先地位使其在全球镓产量中占据主导地位。此外，中国政府还实施了促进生产的战略政策，包括要求该国的铝生产商建立提取镓的能力。结果很明显：从2005年到2015年，中国低纯度镓的生产量从22吨爆炸式增长到444吨。
中国该行业的迅速崛起造成了全球市场的供过于求，引发了21世纪10年代大部分时间镓价格的剧烈波动。结果，英国、德国、匈牙利和哈萨克斯坦的主要供应商蒙受损失，被迫停产。美国在20世纪70年代至80年代开始将其大部分国内采矿能力离岸外包，其最后剩余的精炼镓生产设施之一于 2020 年关闭。中国几乎是世界上唯一的供应国。
攀登价值链
虽然控制原镓生产使中国能够超越竞争对手，但中国领导人明白，创新才能赢得长期优势。为了实现这一目标，北京正在积极支持中国公司超越美国及其盟国，成为镓基半导体生产的全球领导者。
中国于2021年发布的最高国民经济蓝图“十四五”规划将宽禁带半导体——即GaN和另一种化合物碳化硅——确定为重点领域。为了响应响应这一号召，中国科技部启动了一项特别项目，鼓励发展“第三代半导体与前沿电子材料和器件”。如果中国能够在GaN半导体发展的初始阶段取得突破，它就有可能确定先发优势，就像它成功地夺取了电动汽车先进电池的领先地位一样。
专门研究第三代半导体的中国专家表示，北京正努力开发镓基芯片，旨在技术上超越美国、欧洲和日本。据一家国有产业集团称，中国应该利用GaN“抓住换道超车的历史性机遇”。国家重点实验室的一位著名研究人员同样断言，“随着半导体产业从硅转向镓，中国正准备占据领先地位”。
在过去十年中，中国个人、公司和实体，包括与中国人民解放军有联系的个人、公司和实体，一直在进行有系统的企业间谍活动和战略收购活动，以瞄准美国和其他发达经济体公司的GaAs和GaN技术。
这些努力为中国的军事现代化带来了红利，体现了北京的军民融合战略。中国领先的军用雷达制造商中国电子科技集团公司的高层人员在2018年声称已经开发了最先进的雷达技术，“其性能可与美国使用的雷达技术F-22和F-35相媲美。
包括5G在内的GaN商业应用的增长势头也有助于推动中国公司在镓基芯片领域成为全球领导者。虽然美国、欧洲和日本公司保持着技术优势，但一些中国公司开始缩小差距。在数十亿美元的政府投资和一系列税收、土地和采购优惠政策的推动下，中国公司正在世界舞台上越来越具有竞争力。
英诺赛科（Innoscience）是镓基芯片的领先制造商，运营着世界上最大的两个GaN制造设施，并已扩展到海外，在美国，欧洲和韩国设有办事处。其他中国GaN公司，如苏州纳维科技、成都海威华芯科技和三安集成，也在密切关注。
中国与GaN半导体相关的专利申请活动也在加速，反映出对该技术开发的推动在不断加大。2019年至2020年期间，中国组织（包括电信巨头华为）占所有专利申请人的40%以上，超过美国（23%）、日本（10%）和欧洲（3%）。
展望未来
北京在为镓基芯片创造一个繁荣的国内生态系统方面发挥的积极作用已经有利于中国的军事发展。如果中国继续主导镓的原材料供应，同时实现镓基芯片生产的领先优势，该国可以在很大程度上免受该领域的全球供应链冲击影响。
镓代表了一个明确的领域，华盛顿及其盟国可以采取具体措施，通过减少对中国的依赖来保护其供应链。通过在国内进行有针对性的投资并与盟国进行战略合作，美国可以减少对中国的依赖，并降低关键供应链中断的风险。为此，美国可以采取以下步骤，既可以单独采取，也可以与盟国和伙伴一起采取：
1、在美国投资镓提取和精炼能力
美国政府应该投资重建国内铝土矿和镓开采能力。基于投资、税收优惠或其他工具的有针对性的公私协议可以为企业建立和维护镓生产设施提供必要的条件。
国防部可以利用《国防生产法》赋予的权力来支持这一努力。该部门及其相关办公室应跨部门并与私营部门合作，以支持这些努力。
华盛顿已经表明，它可以投资开采关键矿物。2022年，拜登政府根据《两党基础设施法》拨款28亿美元，用于在12个州建设和扩建设施，以提取和加工锂、石墨和其他材料，并扩大电池制造能力。虽然这些都是值得称赞的投资，但对关键矿物的大部分关注都集中在电池制造上，而较少的资源则集中在镓等其他重要矿物上。
2、与盟国合作，扩大海外镓提取和精炼能力
德国在2018年还是原生镓的主要生产国，其之后不再生产了。澳大利亚是全球主要的铝土矿出口国之一。美国应该建立新的伙伴关系或在现有框架的基础上，帮助这些国家的政府为公司扩大镓生产创造必要的条件。这可能包括类似于最近宣布的澳美气候、关键矿产和清洁能源转换契约的协议。
3、促进镓回收利用
新的采矿和精炼能力上线可能是一个长期的过程。增加镓的回收可能会在短期或中期提供缓解供应链问题的方法。大量的镓可以在制造过程的各个阶段回收利用。美国及其伙伴国应该在现有回收能力的基础上进行投资。
4、为国防工业保持至少一年的镓库存
美国政府长期以来一直保持着国防储备，其中包含对国家安全至关重要的关键材料，由国防部国防后勤局监督。该机构的公开报告显示，在过去十年中，它没有购买任何镓用于储存。
美国国防工业目前没有使用大量的镓，因此相对较小的库存就足够了。镓的保质期约为一年，这表明库存需要得到良好的维护。在与国会协商后，DLA应将镓添加到国防储备中，与私营企业和外国合作伙伴合作，以确保满足美国的国防需求至少一年。
5、加强美国镓生产和消费的数据收集和透明度
在中国决定对镓实施出口管制之前，政策界很少讨论镓矿物以及中国对其供应的影响，部分原因是全球镓市场的公开数据很少。提高全球和美国内部的数据透明度将有助于提高政策制定者、国防官员和私营部门行为者更好地评估市场状况和美国脆弱性的能力。
