万字长文剖析,全球化才是半导体的答案

半导体行业观察 2021-04-09 09:48


编者按

早前,SIA和BCG推出了一份报告,详细探讨了美国实施半导体自主可控的可行性。我们摘译如下,以飨读者。根据这个报告,美国如果想要实现全半导体供应链的自主可控,需要投入惊人的9000亿到12250亿美元。报告进一步指出,自主可控并不能解决当前的半导体问题,唯有合作共赢,才是出路。


以下为文章译文


始于2020年末的半导体短缺短缺现状,突显出这些专用组件在当今经济中是多么不可或缺。半导体被用来为一系列电子设备提供动力,从智能手机、云服务器到现代汽车、工业自动化、关键基础设施和国防系统,应有尽有。

半导体供应链的全球结构是在过去三十年中发展起来的,它使半导体行业在成本节约和性能提升方面实现了持续的飞跃,最终使信息技术和数字服务的爆炸式发展成为可能。然而,在过去几年中出现了几个新因素,可能危及这一全球模式的成功延续。解决这些脆弱性需要决策者精心设计的行动组合,包括有针对性的激励措施,以鼓励国内生产,以解决战略缺口。

一体化的全球供应链


半导体是设计和制造过程都非常复杂的产品。没有其他任何一个行业能在研发(占电子设备制造商年半导体销售额的22%)和资本支出(26%)两方面都有如此高的投资水平。

对深厚的技术诀窍和规模的需求导致了高度专业化的全球供应链,各区域根据其相对优势在供应链中发挥不同的作用。(见图表1)美国拥有世界一流的大学,在研发密集型活动中处于领先地位,包括电子设计自动化(EDA)、核心知识产权(IP)、芯片设计和先进制造设备,庞大的工程人才库和市场驱动的创新生态系统。东亚在晶圆制造方面处于前沿,这需要政府激励措施支持的大规模资本投资,以及强大的基础设施和熟练的劳动力。中国在组装、封装和测试领域处于领先地位,而这些领域的技术和资本密集度相对较低,中国正积极投资,以在整个价值链中扩张。

在这个一体化的全球供应链中,所有国家和地区都是相互依存的,依靠自由贸易将世界各地的材料、设备、知识产权和产品转移到执行每项活动的最佳地点。事实上,半导体是世界上交易量第四大的产品,仅次于原油、成品油和汽车。

这一全球结构带来了巨大的价值。一个假设的替代方案,即在每个地区建立平行的、完全“自给自足”的本地供应链,以满足其当前的半导体消费水平,这至少需要1万亿美元的前期增量投资,从而导致半导体价格总体上涨35%至65%最终提高了终端用户的电子设备成本。

而基于地域分工的全球半导体供应链为行业带来了巨大的价值。


风险和漏洞


未来十年,半导体行业将需要在全球价值链的研发和资本支出上投资约3万亿美元,以满足日益增长的半导体需求。行业参与者和政府必须合作,继续促进全球市场、技术、资本和人才的进入,并使供应链更具弹性。

虽然地理专业化为该行业提供了良好的服务,但它也产生了弱点,每个地区都需要根据自身的经济和安全考虑以特定的方式评估这些弱点。整个供应链上有超过50个点,其中一个地区占全球市场份额的65%以上,尽管每个地区的风险水平各不相同。谈到全球半导体供应链的弹性,制造业成为一个主要焦点。大约75%的半导体生产能力以及许多关键材料(如硅片、光刻胶和其他特殊化学品)的供应商都集中在中国和东亚地区,此外,世界上所有最先进的半导体制造能力(节点在10纳米以下)目前都在韩国(8%)和中国台湾(92%)。这些地方可能会被自然灾害、基础设施关闭或国际冲突所破坏,并可能导致芯片供应的严重中断。

除了集中在某些地理位置所带来的风险外,地缘政治紧张局势还可能导致出口控制,影响到集中在某些国家的关键技术、工具和产品供应商的使用。此类控制还可能限制重要终端市场的进入,可能导致规模大幅下降,损害该行业维持目前研发和资本密集度水平的能力。

解决这些挑战的办法不是通过大规模的国家产业政策来追求完全自给自足,这种政策的成本惊人,执行的可行性也值得怀疑。相反,半导体行业需要有针对性的政策,加强供应链弹性,扩大开放贸易,同时平衡国家安全需求。

为了应对全球供应中断的风险,各国政府应制定市场驱动的激励计划,以实现更多样化的供应,这应该包括在美国建立额外的制造能力,以及扩大一些关键材料的生产地点和供应来源。在我们之前的报告“政府激励和美国半导体制造业的竞争力”中,我们发现500亿美元的激励计划将使美国成为一个有吸引力的半导体制造业地点。我们的分析表明,如果不采取任何行动,这样一个计划可以在未来10年内建成19个先进的逻辑、内存和模拟半导体代工厂,使预期数量翻倍。

这种新的产能将有助于解决供应链中的重大漏洞。例如,它将使美国在领先节点维持最低可行的制造能力,以满足国内对用于国家安全系统、航空航天和关键基础设施的先进逻辑芯片的需求。相比之下,我们估计,要实现制造业完全自给自足的目标——即试图用本土产能覆盖美国的半导体消费总量——需要政府提供逾4000亿美元的激励,并在10年内花费逾1万亿美元。

在制定政策以促进供应链弹性时,各国政府必须保证为国内外企业提供一个公平的全球竞争环境,并大力保护知识产权。它们还必须采取措施,进一步促进全球贸易以及研发和技术标准方面的国际合作。与此同时,政策制定者需要加大努力,刺激基础研究,解决可能限制该行业保持创新步伐的人才短缺问题。为此,需要在科学和工程教育方面进一步公共投资,以及使领先的全球半导体集群吸引世界级人才的移民政策。

此外,有重大国家安全关切的政府应建立明确和稳定的框架,对半导体贸易进行有针对性的控制,避免对技术和供应商进行广泛的单边限制。

这种经过良好调整的政策干预措施将在当今全球供应链结构中保持规模和专业化的好处。这将确保该行业能够扩展其能力,在半导体性能和成本方面实现持续改进,这将使AI、5G、物联网和自动电动汽车等变革性技术的承诺在本十年成为现实。

介绍


今天的移动电话商可能不会花太多心思在研究、开发、设计和制造方面的复杂的跨界合作上,因为这些合作来自数百家公司,这使他们能够通过高速无线网络访问他们喜欢的内容。然而,消费者从整个深度和复杂的电子行业的全球协调中受益,其形式是加速创新周期,以更低的价格提供新技术功能。半导体供应链是全球一体化数字经济的支柱。

在过去的三十年里,半导体行业经历了快速增长,并产生了巨大的经济影响。从1990年到2020年,半导体市场以7.5%的复合年增长率增长,超过了同期全球GDP 5%的增长速度。半导体行业在性能和成本方面的改进,使得上世纪90年代从大型机到个人电脑的发展成为可能,21世纪初支撑网络和在线服务的客户机-服务器架构,以及到21世纪10年代智能手机成为人人囊中之物的时代成为可能。

这些创新创造了巨大的经济增长:据估计,从1995年到2015年,全球GDP中新增的3万亿美元与半导体创新直接相关,并产生了11万亿美元的间接影响。展望未来,半导体技术的进一步进步将是推动新一波变革技术的关键,包括人工智能(AI)、5G、自动电动汽车或大量智能连接设备大规模部署的物联网(IoT)解决方案。

这种经济影响是由于半导体技术不断加速改进而产生的。自1958年集成电路发明以来,逻辑芯片的每个晶圆上的晶体管数量增加了大约1000万个,从而使处理器速度提高了10万倍,与之相比,成本每年减少45%以上。随着先进的封装和材料技术等工程创新的出现,这使得电子设备制造商能够以越来越小的形式制造出计算能力指数更高的设备。举例来说,今天的智能手机拥有比1969年美国宇航局(NASA)将阿波罗11号(Apollo 11)送上月球时使用的大型计算机更强大的计算机能力。如今的智能手机在2010年的存储容量也超过了数据中心服务器。在连续几代蜂窝技术的推动下,模拟半导体技术的进步也使无线通信的质量和速度有了极大的提高,从而导致了最近推出的5G。

半导体供应链是数字经济的支柱


半导体是用非常先进的制造工艺制造的非常复杂的产品。改进往往需要在硬科学上取得突破,而这些突破需要很多年才能实现。半导体行业的快速创新是巨大投资、复杂的全球价值链和分布在世界各地的高度专业化的公司和机构整合的研究基础设施的结果。

整个供应链的专业化使得创新所需的深度关注成为可能,常常会推动科学的边界。半导体产品种类超过30种,每一种都针对电子子系统的特定功能进行了优化。开发现代芯片需要在硬件和软件方面的深厚技术专长,并依赖于先进的设计工具和专业公司提供的知识产权(IP)。然后,制造通常需要多达300种不同的输入,包括原材料晶圆、商品化学品、特殊化学品和散装气体。这些输入由50多个级别的高度工程精密设备处理。大多数这种设备,如光刻和计量工具,包含了数百个技术子系统,如模块、激光、机电一体化、控制芯片和光学。参与半导体设计和制造的高度专业化的供应商通常位于不同的国家。然后芯片在全球之旅中曲折地穿越世界。

本报告旨在提供对复杂的全球半导体供应链的理解,它如何支持行业的持续技术创新,以及它如何最终通过更好的技术以更低的价格使我们的经济受益。我们还确定了一些可能影响行业继续提供指数级性能和成本改进的能力的风险,并讨论了解决这些风险的方法。

半导体供应链概述


  • 了解半导体:它们是什么以及它们的用途


半导体是高度专业化的组件,为电子设备提供处理,存储和传输数据的基本功能。当今的大多数半导体都是集成电路,也称为“芯片”。芯片是一组微型电子电路,由有源分立器件(晶体管,二极管),无源器件(电容器,电阻器)以及它们之间的互连组成,它们堆叠在半导体材料(通常为硅)的薄晶圆上。现代芯片很小,仅在几平方毫米的面积内就封装了数十亿个电子组件。虽然行业分类法通常描述了30多种产品类别,但半导体可以分为三大类:

1.逻辑(占行业收入的42%)

这些是在二进制代码(0和1)上起作用的集成电路,它们是计算的基本组成部分或“大脑”:

微处理器是诸如中央处理器(CPU)、图形处理单元(GPU)和应用处理器(AP)等逻辑产品,它们处理存储在内存设备上的固定指令以执行复杂的计算操作。应用程序包括移动电话、个人电脑、服务器、人工智能系统和超级计算机的处理器。

通用逻辑产品,如现场可编程门阵列(FPGA)不包含任何预先固定的指令,允许用户编程自定义逻辑操作。

微控制器(MCU)是单芯片上的小型计算机。微控制器包含一个或多个处理器核心以及存储器和可编程输入/输出外围设备。MCU在汽车、工业自动化设备或家用电器等无数电子产品中执行基本的计算任务。

连接产品,如蜂窝调制解调器、WiFi或蓝牙芯片或以太网控制器,允许电子设备连接到无线或有线网络以传输或接收数据。

2、存储(占行业收入的26%)

这些半导体用于存储执行任何计算所需的信息。计算机处理存储在内存中的信息,内存由各种数据存储或存储设备组成。目前最常用的两种半导体存储器是动态随机存取存储器(DRAM)和NAND存储器:

DRAM用于存储计算机处理器运行所需的数据或程序代码。它通常存在于个人电脑(PC)和服务器中。智能手机也在不断增加所需的DRAM内容,高级驾驶辅助系统(ADAS)等汽车电子应用对DRAM的需求也在不断增加。

NAND是最常见的闪存类型。与DRAM不同的是,它不需要电源来保留数据,所以它被用于永久存储。典型应用包括用作笔记本电脑硬盘驱动器的固态驱动器(SSD)或用于便携式设备的安全数字(SD)卡。

3、分立,模拟和其他(DAO)(占行业收入的32%)

这些是半导体,用于传输,接收和转换涉及连续参数(例如温度和电压)的信息:

分立产品包括设计用于执行单个电气功能的二极管和晶体管。

模拟产品包括电压调节器和数据转换器,可将来自语音等源的模拟信号转换为数字信号。这一类还包括任何类型的电子设备中的电源管理集成电路,以及使智能手机能够接收和处理来自蜂窝网络基站的无线电信号的射频(RF)半导体。

其他产品还包括光电产品,例如用于感知相机中光线的光学传感器,以及各种各样的物联网设备中可以找到的各种非光学传感器和执行器。

半导体被用于跨越经济主要领域的多种应用的所有类型的电子设备中(图2)。这些应用市场中的每一个都需要上述三种主要类别的半导体。例如,移动电话的DAO内容(对于诸如蜂窝连接性,摄像头和功耗管理等功能必不可少)实际上与逻辑内容(包括微处理器)一样多。在新一代手机中提供更高的计算能力)和内存(用于在设备上存储数字内容)。全球半导体收入的大约65%来自用于多个应用程序的通用组件。

在当今的经济中,所有类型的半导体都是必不可少的,可为各种电子设备供电。


对半导体的需求高度全球化。来自每个区域的全球半导体需求份额不同,具体取决于需求起点的定义。尽管半导体通常由电子设备制造商采购以制造其产品,但最终半导体需求是由购买这些设备的最终用户驱动的。这就是为什么从地理角度出发,参考全球电子供应链中的替代要点,可以采用三种不同的方法来衡量半导体需求的来源:

A.电子设备制造商总部的位置。这些公司是芯片公司的客户,他们购买用于其设备的半导体。电子设备制造商通常被称为原始设备制造商(OEM),通常设计其产品并决定从哪个供应商使用哪些组件。例如,采用这种方法,即使产品可能在另一个国家实际制造,进入美国总部设在美国的公司开发的智能手机中的半导体也将根据美国的需求进行计算。

B.设备制造/组装地点:原始设备制造商通常不在其总部所在国或设计设备的工程团队所在国制造设备。相反,这些设备通常由位于不同国家或许多不同国家的制造厂组装,通常由称为原始设备制造商(ODM)或电子制造服务(EMS)的其他公司组装。这是成品半导体需要实际运送到的地点。例如,采用这种方法,一家美国公司设计的智能手机中的芯片,实际上是一家台湾承包商在中国大陆的工厂制造的,将被计算为中国的需求。

C.购买电子设备的最终用户的位置。考虑到半导体是元件,半导体需求最终是由向最终用户(包括消费者和企业)销售电子设备驱动的。在我们的例子中,由一家美国公司设计但在中国组装的智能手机所含芯片的价值将分布在全球所有这些智能手机销售给消费者的国家。

图表3显示了全球半导体需求的地理分布,使用了这三种不同的视角:不同国家或地区的份额因标准不同而有很大差异。但这三种可能的方法都不被认为是“正确”的答案——它们只是反映了国家/地区在更广泛的电子行业中扮演的不同角色。


考虑到电子设备制造商的位置(图中的标准A),美国仍然驱动着全球半导体总需求的33%,在所有地区的参与率最高。

2019年,美国公司在大型个人电脑和信息通信基础设施(包括数据中心和网络设备)应用市场的市场份额合计约为45%,在智能手机和工业设备市场的市场份额为30%。在过去10年里,中国的参与度增加了两倍,现在已经成为第二个明显的地区。中国作为半导体需求的一个巨大来源地的崛起,是由中国本土企业在智能手机、个人电脑和消费电子产品领域的实力推动的:华为、联想、小米和Oppo/Vivo等公司不仅在中国国内市场销售产品,而且是其他市场的主要竞争对手。

根据终端电子设备制造/装配位置标准(图中的B),中国是排名第一的地区,反映了中国在电子制造业,特别是智能手机和消费电子产品方面的实力。作为全球主要的制造业中心,中国是2019年全球芯片销售总额的35%左右的目的地。但许多通过这一中间步骤进入中国的芯片最终并不是作为中国最终用户购买的产品消费,而是作为“中国制造”设备的零部件再运往海外,出口到其他国家。

聚焦于设备有效销售给最终用户的地方(图中的C)显示了半导体需求最终来自何处。根据不同应用类型的可用市场数据,我们估计中国消费者和企业购买的设备中包含的半导体含量价值约占2019年全球半导体收入的24%,几乎与美国持平(25%),比欧洲高出几个百分点(20%). 然而,中国在全球半导体消费中所占的份额预计在未来5年内将继续增加,因为分析师预测,在大多数电子设备类别中,中国国内市场的增长将超过世界其他地区平均4-5个百分点。

半导体价值链的结构


任何半导体的创造和生产所涉及的产业价值链都是极其复杂和全球化的。在高层次上,它由四大步骤组成,由材料、设备和软件设计工具以及核心知识产权供应商的专业生态系统支持(图表4):


如上图所示,预研究占整个行业研发的15-20%。

预研究的目的是确定基础材料和化学工艺,以在设计架构和制造技术方面进行创新,从而实现计算能力和效率的下一次商业飞跃。它通常是科学和工程领域的基础研究,其成果通常在科学界广泛发表和分享,区别于专利研究和工业开发、设计和生产。竞争前基础研究与行业研发在性质上是不同的:这两种类型是互补的,而不是多余的。事实上,人们发现,竞争前研究能够刺激和吸引行业研发。

从一种新的技术方法在研究论文中被引入到大规模商业制造的平均时间估计约为10-15年,但这可能比实现当前前沿技术的科学突破要长得多。例如,极端紫外线(EUV)技术是最先进的半导体制造节点的基础,从早期的概念演示到在晶圆厂的商业化实施,几乎用了40年时间。

虽然没有半导体行业的可用数据,但在大多数领先国家,基础研究通常占总体研发投资的15-20%。例如,在美国,基础研究一直稳定在研发总量的16-19%。基础研究由来自私营公司、大学、政府资助的国家实验室和其他独立研究机构的科学家组成的全球网络进行,这些机构在联合研究工作中进行合作

特别是,政府在推进基础研究方面发挥着非常重要的作用。半导体工业协会(SIA)先前对联邦研发的一项研究确定了8项重大的半导体技术突破,这些突破来自政府资助的研究项目。例如,砷化镓(GaAs)晶体管使智能手机能够建立到蜂窝塔的无线通信链路,这是在20世纪80年代末国防部的微波和毫米波集成电路(MIMIC)计划中发明的。

对美国所有行业的研发总投资进行分析,可以对竞争前研究的规模和独特特征提供一些见解。根据美国国家科学基金会(National Science Foundation)收集的数据,美国联邦政府是基础研究的主要贡献者,2018年的投资占42%。另外30%的资金来自州政府、大学和其他非盈利研究机构,其余28%来自公司。相比之下,私营企业在应用研究和开发领域的份额接近80%,而应用研究和开发通常是在基础研究取得突破之后进行的

美国说明了政府在基础研究中的关键作用,尽管对半导体行业的贡献似乎落后。


美国对半导体基础研究的资助似乎远远落后于应用研发的增长。SIA的研究发现,2018年,美国联邦政府对半导体相关研发(包括基础研究、应用研发)的总体投资仅占美国半导体研发总量的13%。这一比例大大低于联邦政府资金在美国所有部门研发支出总额中所占的22%。事实上,在过去40年中,尽管美国私人对半导体研发的投资占GDP的比例增长了近10倍,但联邦政府的投资却一直持平。鉴于美国目前在整个半导体价值链研发密集型活动中所起的主导作用,基础研究经费缺口的影响可能超出美国企业的相对竞争力,并为整个行业保持其创新历史步伐的能力带来风险。

相反,中国为建设强大的国内半导体产业而投入大量资金进行竞争前研究。在过去的20年中,中国一直在缩小与美国在整体研发支出上的差距。根据经济合作与发展组织(OECD)的数据,按绝对值计算,2018年中国是世界第二大研发支出国:按购买力平价计算,中国的研发总投资仅比美国低5%。但是,目前只有约5-6%的中国R&D支出用于基础研究,远低于其他在R&D方面投入高的国家。

中国3月份宣布的新的2021-25年五年计划明确将推进基础研究列为一个关键的优先事项。到2021年,中央政府的基础研究支出将增长11%,远远高于总体研发投资计划的7%和GDP增长6%的目标。半导体已被指定为七个在资金和资源方面将优先考虑的领域之一。

参与设计的公司开发纳米级集成电路,执行使电子设备工作的关键任务,如计算、存储、网络连接和电源管理。设计依赖于高度先进的电子设计自动化(EDA)软件和可重用的体系结构构建块(“IP核心”),在某些情况下,还外包了专门技术供应商提供的芯片设计服务。

设计活动在很大程度上是知识型和技能型的:它占整个行业研发的65%和附加值的53%。事实上,半导体设计领域的公司通常会将其年收入的12%至20%投资于现代复杂芯片的研发,例如为当今智能手机提供动力的“芯片上系统”(SoC)处理器,需要数百名工程师组成的庞大团队数年的努力,有时利用外部IP和设计支持服务。随着芯片变得越来越复杂,开发成本迅速上升。为一款旗舰智能手机设计的最新片上系统的总开发成本,包括处理音频、视频或提供高速无线连接所需的专用模块,可能远远超过10亿美元。重复使用先前设计的相当一部分的衍生产品,或者可以在成熟节点上制造的新的更简单的芯片,开发成本仅为2000万到2亿美元。

高度专业化的半导体制造设施,通常被称为“晶圆厂”,将纳米级集成电路从芯片设计印刷到硅片上。每个晶圆包含多个相同设计的芯片。每个晶圆的实际芯片数量取决于特定芯片的大小:它可以是一百个为计算机或智能手机提供动力的大型复杂处理器,也可以是数十万个用于执行简单功能的小型芯片。

制造过程错综复杂,需要高度专业化的投入和设备才能以微型规模实现所需的精度。集成电路在洁净室中制造,以保持无菌环境,防止空气中的微粒污染,这些微粒会改变构成电子电路的材料的特性。相比之下,在一个典型的城市地区,室外空气中每立方米含有3500万个直径为0.5微米或更大的颗粒,而半导体制造的无尘室中,这种尺寸的颗粒是绝对不允许的。

根据具体产品的不同,半导体晶圆的整个制造过程有400到1400个步骤。制造成品半导体晶圆的平均时间,也就是所谓的周期时间,约为12周,但如果采用先进工艺,则需要14-20周才能完成。它利用了数百种不同的输入,包括原始晶片,商品化学品,专用化学品以及许多不同类型的加工和检测设备和工具,在多个阶段(表6)。这些步骤通常重复数百次,取决于所需的电子电路的复杂性。


制造工艺技术的进步通常用“节点”来描述。术语“节点”指的是电子电路中晶体管栅极的纳米大小,但随着时间的推移,它已经失去了其最初的含义,并成为一个涵盖性术语,既指较小的特征,也指不同的电路结构和制造技术。一般来说,节点尺寸越小,芯片的功能就越强大,因为在相同尺寸的区域可以放置更多的晶体管。这就是“摩尔定律”(Moore’s Law)背后的原理。“摩尔定律”是半导体行业的一个重要观察和投影,即逻辑芯片上的晶体管数量每18至24个月就会翻一番。自1965年以来,摩尔定律一直在支持处理器性能和成本同时不断提高的步伐。如今,智能手机、电脑、游戏机和数据中心服务器上的先进处理器都是在5到10纳米节点上制造的。使用3纳米工艺技术的商用芯片生产预计将于2023年左右开始。

虽然逻辑和内存芯片用于数字应用程序大大受益于晶体管的大小比例与较小的节点,但其他类型的半导体——尤其是上文所述的DAO组中的半导体——通过迁移到更小的节点,或者仅仅使用在更小的规模下无法工作的不同类型的电路或架构,并不能达到同样程度的性能和成本效益。因此,今天的晶圆制造仍然在广泛的节点上进行,从用于高级逻辑的5纳米的当前“领先节点”到用于离散、光电子、传感器和模拟半导体的180纳米以上的传统节点。事实上,目前只有2%的全球产能是在10纳米以下的节点上生产的(表7)。


由于生产半导体所需的规模和复杂设备,前端制造是高度资本密集的。一个拥有标准产能的最先进半导体工厂需要大约50亿美元(用于先进的模拟晶圆厂)到200亿美元(用于先进的逻辑和内存晶圆厂)的资本支出,包括土地、建筑和设备。这远远高于下一代航空母舰(130亿美元)或新核电站(40亿至80亿美元)的估计成本。专注于半导体制造的公司的资本支出通常占其年收入的30 - 40%。因此,晶圆占大约65%的总行业的资本支出和25%的增值。它主要集中在东亚(中国台湾、韩国和日本)和中国大陆。

这一阶段包括将晶圆厂生产的硅片转换成成品芯片,准备组装成电子设备。在此阶段参与的公司首先将硅晶片切成单个芯片。然后将芯片包装到保护框架中,并装入树脂外壳中。芯片在运往电子设备制造商之前,会经过更严格的测试。

供应链的后端阶段仍然需要对专用设施进行大量投资。专门从事组装,封装和测试的公司通常将其年收入的15%以上投资于设施和设备。尽管与前端制造阶段相比,它的资本密集度相对较低,并且雇用了更多的劳动力,但高级封装中的新创新正在改变这种局面。总体而言,这个行业占2019年行业资本支出总额的13%,占该行业总增加值的6%。它主要集中在台湾和中国大陆,最近还在东南亚兴建了新设施(马来西亚,越南和菲律宾)。

在设计阶段,电子设计自动化(EDA)公司提供复杂的软件和服务来支持半导体设计,包括专业应用专用集成电路(asic)的外包设计。由于单片芯片包含数十亿个晶体管,最先进的EDA工具是设计具有竞争力的现代半导体所不可或缺的。

核心IP供应商许可可重用的组件设计——通常称为“IP块”或“IPs”——具有定义好的接口和功能,以便设计公司将其整合到芯片布局中。这些还包括与每个制造过程节点相关联的基础物理ip,以及许多接口ip。EDA和核心知识产权供应商在研发上投入巨资,约占其收入的30 - 40%,2019年约占行业增加值的4%。

半导体制造在制造过程的每一步都使用50多种不同类型的精密晶圆加工和测试设备,这些设备由专业供应商提供。(图8)。


光刻工具是制造厂商最大的资本支出之一,它决定了晶圆厂能生产多先进的芯片。先进的光刻设备,特别是那些利用极端紫外线(EUV)技术来制造7纳米及以下的芯片。一台EUV设备的成本为1.5亿美元。

计量和检测设备对半导体制造过程的管理也是至关重要的。因为这个过程涉及到一到两个月的数百个步骤,如果在过程的早期出现任何缺陷,所有在随后耗时的步骤中进行的工作都将被浪费掉。因此,在半导体制造过程的关键环节建立了严格的计量和检测流程,使用专门的设备,以确保一定的成品率能够得到确认和保持。

现代工厂还拥有先进的自动化和过程控制系统,用于直接设备控制、自动化物料运输和实时批量调度,许多最新的设施几乎完全自动化。

半导体制造设备也包含许多具有特定功能的子系统和组件,如光学或真空子系统、气体和流体管理、热管理或晶圆处理。这些子系统由数百家专业供应商提供。

开发和制造这样先进的、高精度的制造设备也需要大量的研发投资。半导体制造设备公司通常将其收入的10 - 15%投资于研发。2019年,半导体设备制造商供应商占行业研发总量的9%,占行业增加值的11%。

最后,参与半导体制造的公司也依赖于专业的材料供应商。半导体制造业使用多达300种不同的投入,其中许多也需要先进的生产技术。例如,用于制造硅锭的多晶硅,随后被切成晶片,其纯度要求是太阳能电池板的1000倍,主要由四家公司提供,其全球市场份额加起来超过90%。图9显示了2019年用于前端和后端制造的关键系列半导体制造材料的全球销售细分。


半导体同时独具备高研发投入和高资本支出特性


半导体是设计和制造非常复杂的产品。因此,半导体产业呈现出高研发和高资本密集度的双重特点。总的来说,我们估计2019年全球产业在价值链所有活动上的研发投资约为900亿美元,资本支出约为1100亿美元。这两个数字加起来几乎占同年全球半导体销售额4190亿美元的50%。

如上图4所示,虽然65%的产业研发投资(不包括竞争前的研究)是在价值链的设计层进行的,但在EDA和核心IP、半导体设备和晶圆制造等领域也有显著的研发活动。同样,65%的行业资本支出用于晶圆制造,但组装和测试、材料甚至设计也需要大量投资于先进的设施和设备。

考虑到企业在整个全球价值链上的投资,没有其他行业在研发(占最终芯片年收入的22%,领先于制药)和资本支出(占最终芯片收入的26%,领先于公用事业)两方面都有如此高的强度。(见图10。)这种极高的投资强度产生了对大规模全球规模和专业化的需求。

后端材料包括引线框架,有机基板,陶瓷封装,封装树脂,粘接线和模接材料。与上述晶圆制造材料相比,它们通常具有相对较低的技术生产壁垒。

这些高度专业化的材料的生产是在大型工厂完成的,这也需要高投资。全球领先的硅片、光敏电阻或气体供应商的年度资本支出通常占其收入的13 - 20%。总体而言,材料供应商在2019年的资本支出总额中占6%,占行业增加值的5%。


半导体业务模型


自半导体产业在20世纪60年代诞生以来,其结构已从最初的垂直整合企业形式发展到现在的所有生产阶段。技术复杂性的急剧增加,以及对大规模投资的需求,以保持设计(以研发的形式)和制造(以资本支出的形式)创新的步伐,有利于专业化参与者的出现。

今天的半导体公司可能会专注于供应链的一层,或者跨几层进行垂直整合。没有一家公司甚至整个国家是垂直整合的。目前有四种类型的半导体公司,这主要取决于他们的集成水平和商业模式(图11):集成器件制造商(IDMs),无晶圆厂设计公司,代工厂和外包组装和测试公司(OSATs)。


IDM被垂直整合到价值链的多个部分,进行设计;制造;内部的组装,封装和测试活动。实际上,一些IDM拥有混合的“ fab-lite”模型,在那里他们将一些生产和组装外包。在该行业的早期几十年,IDM模式占主导地位,但迅速增加的研发和资本支出的规模创造了规模和专业化的同时需求,这导致了晶圆厂-代工模式的出现。目前,IDM在专注于内存和DAO产品的公司中更为常见,这些产品主要是通用组件,微缩需求更强。2019年,IDM占全球半导体销售的约70%。

无晶圆厂选择专注于设计,并将芯片制造,装配、封装和测试外包。无晶圆厂企业通常将制造外包给纯晶圆厂和OSATs。自20世纪90年代以来,无晶圆厂模式随着半导体需求的增长而发展,因为创新的步伐使得许多公司越来越难以同时管理制造的资本密集度和设计的高水平研发支出。随着向更小的制造节点转移,技术难度和前期投资飙升,无晶圆厂企业占半导体总销量的比例从2000年的不到10%上升到2019年的近30%。

逻辑芯片基本上是无晶圆厂企业的领域,英特尔和三星是例外。这种动态是由于市场的步伐要求改进的功率和性能能力,以支持智能手机的快速周期和新兴的前沿应用程序的人工智能和高性能计算。

代工厂解决了无晶圆厂和IDM的制造需求,因为大多数IDM内部没有足够的差能来满足他们的所有需求。这种商业模式使代工厂能够分散与建造现代晶圆厂所需的大笔前期资本支出相关的风险,这些资金需要跨越设计公司和IDM的更大客户足迹。大多数晶圆代工厂只专注于为第三方制造,尽管一些具有强大制造能力的IDM除了自己的芯片外,也可能选择为他人制造芯片。

撇开内存不说,在过去的五年中,晶圆代工厂为DAO和逻辑产品增加了60%的增量产能。目前,代工厂占整个行业生产能力的35%,如果不考虑内存,则占50%。在先进(14纳米或以下)和后续节点(20到60纳米)使用更先进的12 " /300mm晶圆尺寸时,他们的份额上升到78%。此外,目前仅有两家公司可以在领先的5纳米节点上进行生产,这两家公司是代工厂。

OSATs为IDMs和无晶圆厂公司提供组装、封装和测试服务。这部分供应链最早是在上世纪60年代由一些美国IDM转移到海外的,因为这部分供应链的资本密集度较低,且需要低技能劳动力。无晶圆厂代工模式也导致了专门的OSAT公司的出现。

全球规模化的需求


以上所述的经济因素,再加上生产半导体所需的复杂技术方面的深厚专业知识,在供应链的核心活动中形成了进入的天然障碍,导致每个产业链中的供应商基础相对集中。

在制造业,建设新产能所需的前期投资规模庞大,是一个主要障碍。举例来说,2015年至2019年,五大晶圆代工厂的年资本支出总计约为750亿美元,或平均每家公司每年30亿美元,相当于其年收入的35%以上。

虽然半导体设计不需要大量的资本支出,但其高研发强度也创造了显著的规模优势,并成为进入壁垒。例如,在2015年至2019年的5年中,排名前5位的无晶圆厂企业在研发上的投资为680亿美元,平均每家企业每年投资28亿美元,相当于其收入的22%。

只有规模非常大的公司才有可能从这些大规模投资中获得令人满意的回报。这就是为什么在半导体供应链的不同产业链条中,全球排名前三的企业通常占各自部门收入的50%至90%。

半导体供应链真正全球化:六大区域(美国、韩国、日本、中国大陆、中国台湾和欧洲)在2019年半导体产业增加值中各占8%以上。如图表12所示,半导体的典型行程涉及设计和制造过程中不同阶段的大多数(如果不是全部)地理区域。


在某种程度上,半导体供应链的这种高度分布式结构遵循半导体工业和电子行业的全球地理分布。靠近开发这些设备的领先公司对于半导体设计公司可能很重要,具体表现为:

  • 美国是电子设备设计的全球领导者。如图2所示,美国消费电子,信息技术,汽车和工业公司使用了世界上35%地区的半导体产品,包括用于PC和数据中心的高级芯片。

  • 大中华区(包括中国台湾)是全球最大的电子设备集散地。当地的原始设备制造商(OEM)和合同制造商,由其他公司设计和组装的设备占世界消费电子产品的60%以上。


  • 欧洲企业是汽车和工业自动化设备的全球领导者;日本在这两个领域和消费电子产品领域都很强大;韩国是智能手机和其他消费电子产品的重要力量。


虽然靠近客户是半导体供应链全球相互依存结构的重要因素,但还有三种额外的关键因素:全球研发网络、地区专业化和贸易自由化。接下来,我们更详细地分析一下这三个因素:

1、全球研发网络

半导体是一个需要在研发方面进行高投入的行业,且需要在商业应用之前投入多年。研发主题通常为大学和政府资助的先进科学实验室、半导体公司和科研机构,它们分摊研究成本,并避免重复投入和资源浪费。

过去10年内,在全球范围内提交的与半导体相关的科学出版物数量,中国和美国排在前两位。我们对科学出版物的分析表明,半导体研究往往涉及跨境的合作:

  • 中国机构出版的半导体科学出版物中,有36%是与其他国家的机构共同撰写的,事实上,美国是中国机构最大的研究伙伴。

  • 在来自美国机构的出版物中,有60%与其他国家的机构共同撰写,中国是最大的合作者,随后是德国和韩国。


从事实上卡,半导体技术的一些最关键的进步是全球参与者几十年来研发协作的结果。例如虽然美国开创了FinFET技术,并且拥有48%的相关专利,但其它国家也极大地促进了使该技术实现商业化的研发。具体来说,中国台湾地区的几家领先的晶圆代工厂,贡献了20%的Finfet专利。

在EUV领域,该技术是制造7和5纳米以及更先进制程节点芯片的关键半导体设备,其开发在20世纪80年代开始于美国和日本, 1986年第一次展示了该技术。在20世纪90年代和2000年代初,日本NTT在贝尔实验室和劳伦斯国家实验室进一步推动了这项技术的研究。继NTT之后,荷兰公司ASML寻求进一步发展和商业化EUV,并与IMEC等机构和企业合作推进,后者包括英特尔(总部位于美国),三星(韩国)和台积电(中国台湾)合作。

ASML及其全球合作伙伴在技术商业化之前的阶段提供资助研发,在过去这些年当中,ASML投入了80亿美元,并在2018年开始在现代工厂实现该技术的商业化规模量产。

除了在潜在技术的发展中的全球合作之外,EUV还依赖于全球供应链:如图13所示,ASML开发的EUV光刻设备包含约5,000多个供应商提供的大约100,000个零件。


2、地区专业化

如上所述,六个主要地区掌控着全球半导体行业的产能。但每个地区在全球半导体供应链中发挥着不同的作用:广泛地说,美国在研发方面领先:当中包括EDA和核心IP,芯片设计和制造设备。而原材料和制造(晶圆制造以及组装,封装和测试),这些都是资本密集型的,在很大程度上集中在亚洲(见图14)。


尽管在过去几十年中,美国政府对基础研究的支持滞后,但美国依然是半导体研发的全球领导者。它是世界上一些最突出的技术大学和半导体公司集群的所在地,这带来了良性的教育,研究,创业和资本循环,促进了创新。虽然中国一直在积极投资半导体研发,且是目前最大的半导体学术研究论文和专利总数持有者,但美国仍然是业内最主要的创新来源:他们与欧洲一起,具有最高的专利转换率(通常被视为与全球商业潜力直接相关),这在半导体行业里通常是高质量创新的标志,美国的专利平均转换率高于任何其他国家,且普遍高出3到6倍(见图15)。


在芯片设计领域,包括无晶圆厂和IDM在内的美国公司拥有接近50%的全球半导体销售份额,其关键的成功因素是获得了高技能的工程人才和蓬勃发展的创新生态系统,特别是领先的大学。而在前20名的半导体公司中((包括Fabless和IDM)),有10个总部位于美国。2019年收入前5的EDA和核心IP公司中,有4家总部位于美国。根据财务报表,在2019年,美国参与半导体设计的公司在研发上花费了当年收入的18%。

如果去调查员工所在地区,我们得出的结果也突出了美国在半导体设计中的领导地位:

数据显示,大约50%的涉及设计的全球半导体公司雇用的工程师位于美国。这个数字包括来自美国和非美国公司的工程师。设计公司越来越依赖于全球工程人才池,特别是在印度,我们估计世界上20%的半导体设计工程师来自这里。

外国人才对美国在半导体创新方面的领导地位发挥了重要作用。回顾历史,一些最基本的半导体技术仍然在大多数现代半导体中使用 ,例如金属氧化物半导体场效应(MOSFET)晶体管和互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺都是由移民的科学家到美国后制定的。目前,美国大约有40%的高技能半导体工人在国外出生。这与美国大学吸引了来自全球的技术人才有关。相关数据显示,国际学生在电气工程和计算机科学研究生中占三分之二,并且在完成学位后,有80%以上留在该国。

来到半导体制造领域,这是高度资本密集型产业,需要有吸引力的投资(特别是政府的激励),并获得强大的基础设施支持(电力和供水,运输和物流),同时还需要具竞争力的熟练制造工人。如我们先前的报告所述,专注于半导体制造经济学,政府激励可能占新的最先进的FAB的10年总体所有权总额(TCO)的30-40%,估计为先进的模拟FAB提供100到150亿美元,其中高级逻辑或内存的投入为300到400亿美元。

目前,东亚地区(包括日本,韩国和中国台湾)和中国大陆集中了全球半导体制造能力的75%,当中包括所有7纳米产能。根据当前市场条件,预计其份额将在未来十年内继续上升。根据我们在图16中汇总的分析,新FAB的TCO方面,美国大约比亚洲高出25-50%,40-70%的差异归因于政府激励措施。


特别需要注意的是,中国台湾自1974年以来一直在发展半导体制造业,当时政府选择半导体作为一个关键的焦点行业,以拓展农业以外的经济发展动力。政府政策包括直接支持,制定研发实验室和工业园区并提供激励措施,慷慨的税收抵免,以及新工厂的建设,可以涵盖其资本开支的35%和13%的设备购买,还有间接激励措施,如金融部门和资本市场的改革,以促进获得资金。

虽然2009 - 2010年后,这些激励计划减少了,但我们估计中国台湾在近10年期间,仍然为新的工厂提供了占总总体成本25-30%的奖励。其他亚洲地区,如韩国和新加坡,目前的相关投入远低于中国大陆。相比之下,美国和欧洲目前可用的新FAB建筑的激励措施估计占总成本的10-15%。

在20世纪80年代后期,中国台湾公司开创了晶圆代工商业模型,专门从事生产其他地区公司设计的芯片。今天,台湾地区拥有全球5个最大晶圆代工厂中的2个,占全球芯片总产能的20%。与英特尔(美国)和三星(韩国)一起,TSMC是可以在高级节点(10纳米及以下)中生产逻辑芯片的三个公司之一,这是数据中心/AI服务器等计算密集型设备所必需的。事实上,几乎所有世界上领先的节点(5和7纳米)的产能都位于台湾地区(见图17)。


相比之下,装配,封装和测试的资本密集度不高。虽然晶圆代工厂的年资本支出通常约为他们收入的35%,但对于专门从事外包半导体封装和测试的领先公司(Osats)资本支出通常不到晶圆代工厂的一半,大约占Osats收入的15%。鉴于资本强度较低,劳动力成本是Osat公司的关键竞争因素。

相关数据显示,中国大陆,中国台湾和东南亚熟练劳动力的平均制造工资均低于美国80%。10大Osats公司中的9家总部位于中国大陆、中国台湾和新加坡。中国大陆和台湾地区占世界封装和测试产能的60%以上。最近,Osats公司还开始使自己的全球足迹多样化,建立其他地方的新产能,如在马来西亚等劳动力成本低的地区建厂。然而,随着先进封装领域的技术创新水平的增加,劳动力成本可能变得越来越低。

3.贸易自由化

上述地区专业化意味着专注于半导体供应链的特定层的公司需要与通常位于其他国家/地区的产业链中下游的其他公司进行协作。此外,考虑到半导体在所有类型的电子产品中使用,最终需要将半导体部件运送到最终器件的制造地。

例如,如本报告所述,虽然我们估计基于美国的电子设备制造商负责征收全球半导体需求的33%,但在许多情况下,他们的设备实际上是在美国以外制造的。例如中国是全球领先的电子设备制造商的约35%的半导体出货量的目的地,他们的产品在那里组装。

贸易协定已成为半导体产品的关税和贸易壁垒,并加强了知识产权的保护。集成电路是全球交易中最低关税的产品之一。特别是在世界贸易组织的信息技术协议(ITA)自1997年以来生效,并在2015年进一步扩大之后。我们的分析表明,1997 ITA原文中包含的半导体相关商品的贸易增长了10.5%,超过了20年期内的CAGR,超过了该协议中未涵盖的半导体产品的其余部分,以3个年度增长情况来看,全球半导体相关贸易价值增加了20%。

实际上,供应链的全球性质和各国之间的相互依存性可以通过半导体贸易的幅度和组成来说明(见图18)。2019年,全球半导体贸易达到1.7万亿美元。这是2019年全球半导体销售价值的四倍以上,这表明半导体开发和制造中涉及的跨境交易的巨大程度。事实上,半导体是世界第四大交易产品,前三位是原油,机动车及配件和精制油。

根据我们的分析,超过120个国家(超过60%的国家)涉及半导体产品的出口或进口。尽管中国的半导体设计和制造的份额仍然相对较低,但该国在制造和组装电子产品中的重要位置,使得该国成为半导体贸易的中心地带。


  • 这种全球结构的意义:相互依存


半导体供应链的全球结构、专业化,意味着各公司需要在相互依赖的关系中跨越边界互动和协作。例如,虽然美国是供应链中的全球领导者(EDA、核心IP、设计和制造设备),并以高研发强度为特征,且全球半导体销售(45-50%)份额高于其最终用户全球电子设备消费的份额(25%),它仍然依赖于其他国家的许多活动,这主要集中在半导体制造领域。例如材料,晶圆制作,装配,封装和测试服务,甚至在领先的制程节点芯片制造的一些主要先进设备方面,美国也需要依赖别人。如荷兰的EUV光刻机。

基于比较优势的专业化产生的这种相互依赖性为半导体行业带来了巨大的益处,最终为电子设备的制造商依靠半导体的性能和成本依赖于持续改进,以推动数字服务的进步。

作为来自这种全球结构的好处的说明,我们考虑了一个假设的场景,美国半导体公司必须拥有全球制造的所有产品。由于美国公司于2019年占全球半导体销售额的49%,这意味着在这个假设的场景中,美国将拥有全球半导体制造能力的49%,而不是目前的12%。

如果没有足够的政府激励措施,那些位于美国的工厂将以相对较高的运营成本(劳动力,电力,由于较高前期资本支出而导致的年度折旧,包括各地区政府激励措施的差异)运作,其竞争力不如韩国,中国台湾或中国大陆。

引用我们2020年9月的报告中使用的Fab经济学模型,在这一假设方案中,美国半导体公司的生产成本将增加约15%。反过来,这将破坏美国半导体公司的竞争力,并降低他们维持当前研发的能力的投资水平。鉴于美国公司在芯片设计中的全球领导地位,它最终可能会减缓创新,并最终导致全球电子设备制造商的成本升高。

  • 新的全球背景下的风险


在过去三十年的历程中,半导体供应链的全球结构服务于该行业,它在支持创新和最终用户采用信息技术方面发挥了重要作用,使得消费者和企业非常受益。然而,在过去的几年中,出现了几个新因素,带来了新的风险。在过去三十年中,基于比较优势的地理专业化的好处导致出现更集中和相互依存的全球半导体供应链。虽然没有详尽无遗,但我们的分析表明,整个供应链中有超过50个点,单个区域占全球总供应总额的65%或更多。


虽然集中化能很好地服务于该行业,但从过往发生的某些事看到,高度的集中也给半导体行业带来两大风险:

  • 产业链高度地理集中可能导致大规模的供应中断

  • 地缘政治紧张关系,可能损害全球对供应商或客户的准入


供应链集中带来的大规模的中断供应风险


制造业的过度地理集中使产业面临巨大的风险,包括自然灾害、基础设施故障、网络攻击甚至地缘政治摩擦都能给全球的供应带来新挑战。

上述情况有许多例子,过去三十年里也发生了不少,以下摘录了一些典型范例:

  • 1993年,日本住友化工厂爆炸的影响经常被用来说明这种集中情况带来的风险的典范。因为这件事影响了全球60%的环氧树脂供应,这导致美国市场DRAM存储芯片的现货价格从平均30美元/兆字节飙升到大约80美元/兆字节。

  • 1999年9月,中国台湾中部发生强烈地震,台湾新竹科学园因停电而停工六天。结果,内存芯片价格上涨了两倍,全球电子产品公司的股票也大幅下挫,IBM、惠普、英特尔和施乐等企业的市值在地震发生一个月后损失了18%到40%。

  • 2011年,日本发生了一场大地震,接着是海啸和核电站融化。这影响了全球25%的硅片生产和75%的全球过氧化氢供应。有几个工厂嗨关闭了几个月。

  • 2019年,日本和韩国之间的地缘政治紧张局势急剧上升。日本对韩国的半导体材料实行出口管制,这影响了每个月大约70亿美元的半导体出口。

  • 2020年12月,位于台湾的内存工厂仅停电一小时,就影响了全球DRAM供应的10%。

  • 2020年10月和2021年2月,台湾的一个封装基板工厂发生的两起火灾加剧了全球组装能力的短缺。

  • 今年年初,德克萨斯州大学引发的大面积停电和日本Renesas工厂发生的火灾,进一步加剧了全球芯片供应短缺,特别是在汽车市场。


由此可见,制造能力显然是全球半导体供应链的一个主要关注点。目前,全球近75%的芯片生产容量集中在东亚(日本、韩国和台湾)和中国大陆,这是一个严重暴露于高地震活动和地缘政治紧张的地区,风险也是可想而至的。如果统计这个地区的先进技术占比,那么这个数值更高,因为从目前看来,全球领先的7纳米和5纳米节点100%都在以上地区生产。

值得一提的是,如表17所示,台湾拥有世界逻辑芯片产能的40%,并在10纳米或以下的最先进节点中取得遥遥领先的位置,这让他们制造了大部用于智能手机、PC、数据中心服务器和自动驾驶所需的应用处理器、CPU、GPU和FPGA芯片,我们做一个极端假设的假设,如果台湾晶圆厂停摆一年,那么台湾晶圆行业将损失420亿美元。

在这种情况下,全球不同应用市场的电子设备制造商的收入会锐减4900 亿美元。换而研制就是带来了12倍以上的负面影响。届时全球电子供应链将会停止,造成严重的全球经济混乱。如果这种假设的彻底破坏成为永久性的事实,那么行业至少需要三年时间,并投入3500亿美元资金,才能将产业拉回到以前的位置。这将是一项前所未有的任务。

此外,如硅片、光刻胶、化合品材料、封装基板和特种气体也都拥有高度集中的特性。虽然每种特殊材料只占该行业总增加值的很小一部分,但没有他们,就不能制造半导体。由此可见保证其供应可持续性的重要性。

举个例子,,C4F6是一种用于制造3D NAND闪存和先进逻辑芯片的关键工艺气体,在芯片蚀刻的过程中,这是必不可少的。在2019年,C4F6的销售额约为25亿美元。查看这个产品的供应,前三位供应商分别位于日本、俄罗斯和韩国,占了全球供应的40%、25%和23%。如果这三家最大的生产商中的任何一家受到严重干扰,6000万至1亿美元的C4F6供应损失可能会导致在半导体链下游的NAND企业收入损失约100亿至180亿美元,这几乎是直接影响的175倍。如果C4F6部分供应的中断不可逆,那么NAND的生产水平可能会被限制2-3年,直到替代地点可以引入新的产能,为大规模生产做好准备。

地缘政治紧张关系,可能损害对供应商或客户的准入


虽然芯片的短缺并没有使该行业的制造面临立刻暂停的风险,但领先的全球供应商的集中,以及以公司总部位置作为技术实际开发地点的计算方式,也给半导体供应带来巨大的风险(见上文表19)。从目前看来,这是半导体行业的既定事实:

  • 在半导体制造设备方面,美国公司在5个主要制造工艺设备类别(沉积工具、干/湿蚀刻和清洗、掺杂设备、制程控制和测试)中占有50%以上的全球市场份额)。同样,日本拥有90%以上的光刻胶市场份额,这是光刻工艺的关键设备。此外,荷兰公司ASML拥有7nm以下芯片生产必须的EUV光刻机100%的全球市场份额。

  • 总部设在美国的公司在先进的逻辑产品(如CPU、GPU或FPGA)中占了90%以上的份额,这些产品为PC、数据中心  服务器、AI分析和汽车ADAS系统提供动力。尽管这些产品是主要是在亚洲的晶圆代工厂生产的。

  • 同样,三家总部位于美国的公司(其中一家现在拥有一家位于欧洲母公司)在设计半导体所必需的EDA软件工具中拥有85%的全球份额。

  • 在核心IP层,总部设在英国的Arm公司给几乎每一部手机上运行的SoC提供了授权,他们也在嵌入式计算系统的架构和处理器核心等市场发力。


在正常的市场条件下,这可能不会立即出现供应问题。然而在某些情况,他们也可能受到贸易或地缘政治冲突情景的干扰,这些情况限制了潜在客户使用来自某些国家的供应商或技术。

总体而言,地缘政治紧张局势在过去10年中一直在全球范围内上升:衡量全球地缘政治风险的指数已回到1990-1991年海湾战争的水平。关键的半导体贸易地缘政治局势将会中美之间持续发酵,并持续紧张。为此我们可以说,行业供应链面临着越来越大的风险。

(1)日韩关系紧张

因为两者的历史原因,日本于2019年7月对韩国的半导体出口施加了限制。

在可能受到日本出口管制的1,000多种产品中,韩国特别关注半导体制造的三种关键化学品:氟化氢(日本供应商占全球供应的70%)、氟化聚酰亚胺和光刻胶(日本供应商垄断了这两者90%以上的全球供应)。虽然韩国从日本进口这三种产品的价值相对较小,每年仅为4亿美元,但韩国每年出口800亿美元依赖这些化学品生产的半导体,这带来的收入损失放大了250倍

考虑到韩国在全球半导体供应链中的卓越地位,是世界上第二大半导体制造商,并在全球内存市场占有44%的份额,这就让他们在这场冲突中带来的影响超出了半导体行业,并破坏了整个全球电子供应链的下游。

虽然在2020年期间,双方的紧张局势似乎有所缓和,而且日本一直在批准这三种化学品的出口许可证申请,但情况仍然相当敏感。只要潜在的双边问题仍未解决,全球半导体供应链的风险就会继续存在。

(2)美中摩擦

美国和中国持续存在的紧张关系给双方的半导体合作带来了很大的不确定性。自2018年以来,这一紧张关系已经显著升级。虽然半导体在很大程度上被排除在两国对从另一方进口的一系列产品征收的关税之外,但在2019年和2020年,美国政府对华为和其他中国实体实施了一系列出口管制,限制他们获得含有美国技术的半导体。按照他们的说法,这些半导体违反了美国的国家安全或外交政策利益。

截至2021年3月,其中一些出口控制涵盖整个半导体供应链,当中包括EDA和包含美国开发的技术的制造设备。鉴于美国公司目前是EDA和关键设备的唯一可行供应商(见表17),这些控制措施严重地影响了中国实体采购美国的半导体产品,甚至影响了他们从非美国供应商那里采购半导体。

在这些规则的压迫下,中国正在开发和寻求替代方案, 虽然这可能需要一些时间,但减少对美国半导体供应商的依赖和供应链本土化的想法正在中国成为现实。

正如上一节所述,中国消费了全球半导体的24%(表3中的“标准C”),这使得它成为世界上第二大市场,几乎与美国持平。因为他们是世界上最大的电子设备制造中心,因此中国也成为成品芯片出口的首选目的地。此外,中国正在积极投资半导体制造业:在2020年,中国制造的芯片占了全球总产量的15%。根据预测,他们将在未来十年将产能提升至40%。

这些双边紧张局势的持续可能会对美国和依赖美国技术的半导体企业和行业产生深远的负面影响,他们可能会被阻止向一些重要的中国客户销售,如果他们没法向任何中国公司销售,这个带来的影响更是不敢想象的。

冲突的持续还可能引发中国的反击,这可能会直接或间接影响全球半导体供应链。众所周知,中国在稀土材料方面拥有很高的份额,虽然这些材料只占总生产成本的一小部分,但它们是半导体的重要组成部分。这是全球脆弱的半导体供应链中经常被忽视的一环。

根据我们的分析,在17种关键原材料的提取中,中国领先于其中的9种,同时在14种材料的提炼方面处于领先位置。随着稀土在商品市场上的交易,整个供应链都会感受到对中国出口的限制,并可能扰乱全球电子设备的生产,从而抑制对半导体的需求。

最后,美中摩擦也助长了双方发展自给自足半导体的愿望。对中国来说,这主要是对其长期努力的放大和加速,并获得了进一步的紧迫性。就美国而言,与中国不断升级的战略竞争暴露了他们因为半导体制造高度集中带来风险,这也在当地引发了一些关于半导体制造自给自足的的公开辩论。

在如欧洲、日本和韩国等世界其他地区,,因为看到美中冲突给半导体带来的影响,加上最近广泛存在的半导体短缺给汽车工业带来的影响,多种事实驱使他们增强对半导体的关注。此外,他们自己的公司在半导体行业的某些领域具有全球领先地位,但他们发现自己因为使用了美国技术,而被限制出售,这进一步加速了他们的转变。

解决这些风险:完全自给自足不是答案


半导体对经济增长和国家安全都具有战略重要性。半导体供应链已成为一个关键领域,为其必须加强其业务弹性和连续性,这也必将成为21世纪地缘政治竞争的热门领域。

考虑到上述的两种风险,世界各国政府都希望采取行动,实现半导体的“自给自足”或技术“独立”或“可控”的概念正在作为潜在的可取的国家政策目标被广泛讨论,这些讨论通常侧重于半导体制造。但是,如果大多数国家或区域要重新建立本土或近本土的芯片制造能力,以减少上述风险,并保护其国家利益,了解这些建设需要多少投资是有帮助的。

我们来分析看一下两种情况:一种是每个区域追求完全的半导体自给自足, 而不是更灵活、更有针对性的投资,旨在填补战略高风险缺口,以提高全球供应链的复原力。为了说明这种情况,我们在表20提出了一个假设的极端情况,那就是世界上每个主要地区都希望在供应链的所有层面上严格建立半导体“自给 自足。这将意味着国内企业在EDA和IP核,芯片设计,原材料,制造设备,晶圆制造,以及组装,封装和测试方面都有足够的能力,满足100%的国内半导体消费需求。

我们暂时不考虑这些计划执行的可行性,单讨论一下这种情况的投入。据我们预测,为了实现这种极端的可控,我们将需要9000亿到12250亿美元的惊人前期投资。这个数字相当于2019年半导体供应链的研发投入和资本支出总额的6倍左右。此外,我们假设整个供应链的半导体公司可以保持目前的成本结构,我们估计该行业增加的经常性年度业务费将达到450亿至1,250亿美元(表20)。


其中,制造能力的投入预计站前期投资的大部分。总的来说,在这种极端情况下必须建立的新能力相当于现有全球总产能的40%。这表明,如果要实施这种措施,该行业将面临大规模的全球产能过剩的局面。根据我们估计,这个资本支出将高达8000多亿美元。此外,我们还需要在每个区域建设能满足其当地半导体生产所需的原材料生产、晶圆制造和组装、封装和测试能力,这后续的投资也是惊人的。

此外,我们必须要说明的是,晶圆厂是非常复杂的,通常需要2-4年才能建造完成并投入商业生产,同时我们还需要3000至6000名工作人员操作,当中的大多是需要招聘和培训的。

除了这种对新产能的前期投资外,每个国家或地区都将承担运营工厂的成本。从长期来看,我们假设该行业能够最终重新建立供需平衡,避免全球产能过剩。但即使如此,全球芯片制造的运营成本总额也将大大超过目前全球供应链结构的水平。

表21按地理区域划分,展示了当地如果想实现半导体自给自足需要用的预估费用。尽管美国目前在供应链的几个层面上处于领先地位,但它仍需要进行3,500-4200亿美元的前期投资,这主要集中在制造能力方面。即使考虑到其较低的要素成本,在这种假设状态下,中国也需要1750亿到2500亿美元的前期投资和100-300亿的额外年运营成本。


综上所述,如果想在每个主要地区建立一系列完整的半导体国内供应,需要投入9000到12250亿美元的前期投资和450亿到1250亿美元的增量年运营成本(不包括新的前期投资的折旧),这只会抵消该行业的利润。根据统计,2019年,整个半导体供应链的利润仅有1,260亿美元。因此,至少一部分增量成本必须以更高的形式转嫁给设备制造商,因为他们在制造设备的时候,也需要购买半导体。

如果向客户收取全部费用,这就相当于半导体价格平均上涨35%到65%,这可能导致终端电子设备的价格上涨。此外,受外国竞争保护,被剥夺全球化、孤立的国内产业也可能丧失效率和创新能力。

最终,它将扭转过去几十年来设备越来越强大,但成本却越来越低的趋势。

总之,完全可控或完全半导体自给自足似乎更多的是一个理论概念,而不是一个可实现的政策目标。但即使如此,各国一人可以重申其在全球半导体供应链中的地位,确保它们以研究和知识产权促进技术发展。这确保了相互依赖,并为每个国家提供了一个强大的地位。

另一种方案:以市场驱动的方法,侧重于关键战略风险‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍


有重要经济和国家安全问题的国家可以采取突出重点的办法,在国内建立一些先进的半导体制造能力,以满足它们在关键应用领域最敏感的需要。

在我们这里上次报告中,我们发现美国在半导体制造能力中的份额从1990年的37%下降了到2020年达到12%。如果这种趋势继续下去,届时只有6%的产能位于美国。相比之下,中国预计在未来十年将增加约40%的新产能,并一跃成为全球最大的半导体制造基地。

正如前面所讨论的,这一趋势背后的关键因素是经济学。在美国运营一家工厂10年所需支出的成本比亚洲高出约25%到50%,其中40-70%的差异直接归因于政府的激励(见表16)。根据我们先前的分析,200亿到500亿美元的联邦政府计划,能为未来十年建立新的最先进的工厂提供额外的赠款和税收奖励,这将有效地扭转这一下降趋势。


我们估计,一个500亿美元的激励计划将使美国在未来十年内建造19个工厂,如果不采取行动,这一数字将增加一倍。相反,要实现完全自给自足的目标, 则需要高达4000亿美元的政府奖励。表22描述了这种市场驱动的、有针对性的200亿至500 亿美元的政府激励计划如何使美国能够保持“最低可行能力”。

如前面的表17所示, 目前世界上所有10纳米以下的容量都位于韩国(8%) 和中国台湾(92%)。鉴于先进逻辑芯片在高性能计算和人工智能方面的重要性,美国最近将其确定为微电子供应链中的一个关键。

我们估计,为了满足国内对关键基础设施应用的先进逻辑芯片的预期需求,美国只需要在2030年前于本土建造2-3个最先进 的FAB,假设新的FAB的每月产能介乎20000和35000个硅片之间。这种产能的增加与市场需求很好地吻合。

人才的约束


获得高技能人才对半导体等研发密集型产业也至关重要。与上述其他两种风险不同的是,人才短缺可能不会对行业日常运营造成大规模破坏的直接威胁。但即使如此,它还是可能会拖慢其在今后几年里的创新步伐。

人才已经成为半导体行业的的一大关注点。2017年的一份对整个供应链的半导体高管的调查显示,大约80%公司面临着技术角色候选人的严重短缺。在2018年的另一项调查中,64%的受访者将人才列为威胁其成长能力的前3大风险之一。

薪酬统计数据还指出了人才供给的制约因素:美国半导体行业的工资一直在增长。数据显示,自2001年以来,美国半导体业工资的平均曾旭为4.4%,明显快于整个经济的工资增长幅度。

考虑到许多半导体公司的研发投资占收入的比例在中期内趋于稳定,产业收入的增长可能是为日益增长的人才需求设定基准的一个很好的替代因素。根据预估,全球半导体行业的销量在未来十年将以4%-5%的平均年增长率增长。在这种增长的基础上,这个行业也面临着劳动力老龄化的挑战,因为目前大量担任技术职位的雇员都有可能在10年后退休。此外,该行业也需要吸引具有不同技能集的人才,特别是在软件开发和人工智能方面的。

从下图可以看到,科学和工程的毕业生似乎不足以满足该行业的需求。


总结


半导体体供应链的全球化性质在每一个环节为每一家公司提供了进入市场的机会,它还使不同的国家或地区拥有不同的专业化优势。例如美国在芯片设计和制造设备等价值链中研发密集程度最高的领域处于领先地位,亚洲国家和地区则在制造环节处于领先地位。

在这个全球供应链中,企业在与半导体相关的商品和服务上进行跨境合作和贸易,这些国家和地区都是相互依存的。

展望未来十年,该行业将需要在整个价值链中投入约合三万亿美元的研发和资本支出,以满足全球对半导体快速增长需的求。半导体公司每年需要在研发方面持续投资900亿美元开发日益复杂的芯片,为AI、物联网或自动驾驶车辆等变革性应用提供动,这相当全球半导体销售总额的20%。

在制造方面,随着2020年末全球半导体短缺的凸显,未来几年需要在全球建立大量的新产能。根据越策,到2030年,该行业的产能将几乎翻一番,以赶上预期的4%至5%的半导体需求年均增长。

同时,行业必须在材料、架构和制造技术方面进行创新,才能在未来几年保持过去几十年的性能和成本增长率。这需要大量投资于基础研究。

一个强大的全球供应链,继续把世界级的公司聚集在一起,在材料、设计和制造方面实现跨界合作,这至关重要。但与此同时,我们也必须解决供应链某些关键部分的高度集中的问题,这可以避开环境和地缘政治的影响。

不过我们必须强调一下,解决这些挑战的办法不是通过大规模的国家工业政策来实现全面的自给自足,因为这些政策的成本惊人,切执行的可行性令人怀疑。相反,我们认为,适当调整政策会更有意义。

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