萬字長文剖析,全球化才是半導體的答案

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編者按

早前,SIA和BCG推出了一份報告,詳細探討了美國實施半導體自主可控的可行性。我們摘譯如下,以饗讀者。根據這個報告,美國如果想要實現全半導體供應鏈的自主可控,需要投入驚人的9000億到12250億美元。報告進一步指出,自主可控並不能解決當前的半導體問題,唯有合作共贏,才是出路。

以下為文章譯文

始於2020年末的半導體短缺短缺現狀,突顯出這些專用元件在當今經濟中是多麼不可或缺。半導體被用來為一系列電子裝置提供動力,從智慧手機、雲伺服器到現代汽車、工業自動化、關鍵基礎設施和國防系統,應有盡有。

半導體供應鏈的全球結構是在過去三十年中發展起來的,它使半導體行業在成本節約和效能提升方面實現了持續的飛躍,最終使資訊科技和數字服務的爆炸式發展成為可能。然而,在過去幾年中出現了幾個新因素,可能危及這一全球模式的成功延續。解決這些脆弱性需要決策者精心設計的行動組合,包括有針對性的激勵措施,以鼓勵國內生產,以解決戰略缺口。

一體化的全球供應鏈

半導體是設計和製造過程都非常複雜的產品。沒有其他任何一個行業能在研發(佔電子裝置製造商年半導體銷售額的22%)和資本支出(26%)兩方面都有如此高的投資水平。

對深厚的技術訣竅和規模的需求導致了高度專業化的全球供應鏈,各區域根據其相對優勢在供應鏈中發揮不同的作用。(見圖表1)美國擁有世界一流的大學,在研發密集型活動中處於領先地位,包括電子設計自動化(EDA)、核心智慧財產權(IP)、晶片設計和先進製造裝置,龐大的工程人才庫和市場驅動的創新生態系統。東亞在晶圓製造方面處於前沿,這需要政府激勵措施支援的大規模資本投資,以及強大的基礎設施和熟練的勞動力。中國在組裝、封裝和測試領域處於領先地位,而這些領域的技術和資本密集度相對較低,中國正積極投資,以在整個價值鏈中擴張。

在這個一體化的全球供應鏈中,所有國家和地區都是相互依存的,依靠自由貿易將世界各地的材料、裝置、智慧財產權和產品轉移到執行每項活動的最佳地點。事實上,半導體是世界上交易量第四大的產品,僅次於原油、成品油和汽車。

這一全球結構帶來了巨大的價值。一個假設的替代方案,即在每個地區建立平行的、完全“自給自足”的本地供應鏈,以滿足其當前的半導體消費水平,這至少需要1萬億美元的前期增量投資,從而導致半導體價格總體上漲35%至65%最終提高了終端使用者的電子裝置成本。

而基於地域分工的全球半導體供應鏈為行業帶來了巨大的價值。

風險和漏洞

未來十年,半導體行業將需要在全球價值鏈的研發和資本支出上投資約3萬億美元,以滿足日益增長的半導體需求。行業參與者和政府必須合作,繼續促進全球市場、技術、資本和人才的進入,並使供應鏈更具彈性。

雖然地理專業化為該行業提供了良好的服務,但它也產生了弱點,每個地區都需要根據自身的經濟和安全考慮以特定的方式評估這些弱點。整個供應鏈上有超過50個點,其中一個地區佔全球市場份額的65%以上,儘管每個地區的風險水平各不相同。談到全球半導體供應鏈的彈性,製造業成為一個主要焦點。大約75%的半導體生產能力以及許多關鍵材料(如矽片、光刻膠和其他特殊化學品)的供應商都集中在中國和東亞地區,此外,世界上所有最先進的半導體制造能力(節點在10納米以下)目前都在韓國(8%)和中國臺灣(92%)。這些地方可能會被自然災害、基礎設施關閉或國際衝突所破壞,並可能導致晶片供應的嚴重中斷。

除了集中在某些地理位置所帶來的風險外,地緣政治緊張局勢還可能導致出口控制,影響到集中在某些國家的關鍵技術、工具和產品供應商的使用。此類控制還可能限制重要終端市場的進入,可能導致規模大幅下降,損害該行業維持目前研發和資本密集度水平的能力。

解決這些挑戰的辦法不是通過大規模的國家產業政策來追求完全自給自足,這種政策的成本驚人,執行的可行性也值得懷疑。相反,半導體行業需要有針對性的政策,加強供應鏈彈性,擴大開放貿易,同時平衡國家安全需求。

為了應對全球供應中斷的風險,各國政府應制定市場驅動的激勵計劃,以實現更多樣化的供應,這應該包括在美國建立額外的製造能力,以及擴大一些關鍵材料的生產地點和供應來源。在我們之前的報告“政府激勵和美國半導體制造業的競爭力”中,我們發現500億美元的激勵計劃將使美國成為一個有吸引力的半導體制造業地點。我們的分析表明,如果不採取任何行動,這樣一個計劃可以在未來10年內建成19個先進的邏輯、記憶體和模擬半導體代工廠,使預期數量翻倍。

這種新的產能將有助於解決供應鏈中的重大漏洞。例如,它將使美國在領先節點維持最低可行的製造能力,以滿足國內對用於國家安全系統、航空航天和關鍵基礎設施的先進邏輯晶片的需求。相比之下,我們估計,要實現製造業完全自給自足的目標——即試圖用本土產能覆蓋美國的半導體消費總量——需要政府提供逾4000億美元的激勵,並在10年內花費逾1萬億美元。

在制定政策以促進供應鏈彈性時,各國政府必須保證為國內外企業提供一個公平的全球競爭環境,並大力保護智慧財產權。它們還必須採取措施,進一步促進全球貿易以及研發和技術標準方面的國際合作。與此同時,政策制定者需要加大努力,刺激基礎研究,解決可能限制該行業保持創新步伐的人才短缺問題。為此,需要在科學和工程教育方面進一步公共投資,以及使領先的全球半導體叢集吸引世界級人才的移民政策。

此外,有重大國家安全關切的政府應建立明確和穩定的框架,對半導體貿易進行有針對性的控制,避免對技術和供應商進行廣泛的單邊限制。

這種經過良好調整的政策干預措施將在當今全球供應鏈結構中保持規模和專業化的好處。這將確保該行業能夠擴充套件其能力,在半導體效能和成本方面實現持續改進,這將使AI、5G、物聯網和自動電動汽車等變革性技術的承諾在本十年成為現實。

介紹

今天的行動電話商可能不會花太多心思在研究、開發、設計和製造方面的複雜的跨界合作上,因為這些合作來自數百家公司,這使他們能夠通過高速無線網路訪問他們喜歡的內容。然而,消費者從整個深度和複雜的電子行業的全球協調中受益,其形式是加速創新週期,以更低的價格提供新技術功能。半導體供應鏈是全球一體化數字經濟的支柱。

在過去的三十年裡,半導體行業經歷了快速增長,併產生了巨大的經濟影響。從1990年到2020年,半導體市場以7.5%的複合年增長率增長,超過了同期全球GDP 5%的增長速度。半導體行業在效能和成本方面的改進,使得上世紀90年代從大型機到個人電腦的發展成為可能,21世紀初支撐網路和線上服務的客戶機-伺服器架構,以及到21世紀10年代智慧手機成為人人囊中之物的時代成為可能。

這些創新創造了巨大的經濟增長:據估計,從1995年到2015年,全球GDP中新增的3萬億美元與半導體創新直接相關,併產生了11萬億美元的間接影響。展望未來,半導體技術的進一步進步將是推動新一波變革技術的關鍵,包括人工智慧(AI)、5G、自動電動汽車或大量智慧連線裝置大規模部署的物聯網(IoT)解決方案。

這種經濟影響是由於半導體技術不斷加速改進而產生的。自1958年積體電路發明以來,邏輯晶片的每個晶圓上的電晶體數量增加了大約1000萬個,從而使處理器速度提高了10萬倍,與之相比,成本每年減少45%以上。隨著先進的封裝和材料技術等工程創新的出現,這使得電子裝置製造商能夠以越來越小的形式製造出計算能力指數更高的裝置。舉例來說,今天的智慧手機擁有比1969年美國宇航局(NASA)將阿波羅11號(Apollo 11)送上月球時使用的大型計算機更強大的計算機能力。如今的智慧手機在2010年的儲存容量也超過了資料中心伺服器。在連續幾代蜂窩技術的推動下,模擬半導體技術的進步也使無線通訊的質量和速度有了極大的提高,從而導致了最近推出的5G。

半導體供應鏈是數字經濟的支柱

半導體是用非常先進的製造工藝製造的非常複雜的產品。改進往往需要在硬科學上取得突破,而這些突破需要很多年才能實現。半導體行業的快速創新是巨大投資、複雜的全球價值鏈和分佈在世界各地的高度專業化的公司和機構整合的研究基礎設施的結果。

整個供應鏈的專業化使得創新所需的深度關注成為可能,常常會推動科學的邊界。半導體產品種類超過30種,每一種都針對電子子系統的特定功能進行了優化。開發現代晶片需要在硬體和軟體方面的深厚技術專長,並依賴於先進的設計工具和專業公司提供的智慧財產權(IP)。然後,製造通常需要多達300種不同的輸入,包括原材料晶圓、商品化學品、特殊化學品和散裝氣體。這些輸入由50多個級別的高度工程精密裝置處理。大多數這種裝置,如光刻和計量工具,包含了數百個技術子系統,如模組、鐳射、機電一體化、控制晶片和光學。參與半導體設計和製造的高度專業化的供應商通常位於不同的國家。然後晶片在全球之旅中曲折地穿越世界。

本報告旨在提供對複雜的全球半導體供應鏈的理解,它如何支援行業的持續技術創新,以及它如何最終通過更好的技術以更低的價格使我們的經濟受益。我們還確定了一些可能影響行業繼續提供指數級效能和成本改進的能力的風險,並討論瞭解決這些風險的方法。

半導體供應鏈概述

  • 瞭解半導體:它們是什麼以及它們的用途

半導體是高度專業化的元件,為電子裝置提供處理,儲存和傳輸資料的基本功能。當今的大多數半導體都是積體電路,也稱為“晶片”。晶片是一組微型電子電路,由有源分立器件(電晶體,二極體),無源器件(電容器,電阻器)以及它們之間的互連組成,它們堆疊在半導體材料(通常為矽)的薄晶圓上。現代晶片很小,僅在幾平方毫米的面積內就封裝了數十億個電子元件。雖然行業分類法通常描述了30多種產品類別,但半導體可以分為三大類:

1.邏輯(佔行業收入的42%)

這些是在二進位制程式碼(0和1)上起作用的積體電路,它們是計算的基本組成部分或“大腦”:

微處理器是諸如中央處理器(CPU)、圖形處理單元(GPU)和應用處理器(AP)等邏輯產品,它們處理儲存在記憶體裝置上的固定指令以執行復雜的計算操作。應用程式包括行動電話、個人電腦、伺服器、人工智慧系統和超級計算機的處理器。

通用邏輯產品,如現場可程式設計門陣列(FPGA)不包含任何預先固定的指令,允許使用者程式設計自定義邏輯操作。

微控制器(MCU)是單晶片上的小型計算機。微控制器包含一個或多個處理器核心以及儲存器和可程式設計輸入/輸出外圍裝置。MCU在汽車、工業自動化裝置或家用電器等無數電子產品中執行基本的計算任務。

連線產品,如蜂窩調變解調器、WiFi或藍芽晶片或乙太網控制器,允許電子裝置連線到無線或有線網路以傳輸或接收資料。

2、儲存(佔行業收入的26%)

這些半導體用於儲存執行任何計算所需的資訊。計算機處理儲存在記憶體中的資訊,記憶體由各種資料儲存或儲存裝置組成。目前最常用的兩種半導體儲存器是動態隨機存取儲存器(DRAM)和NAND儲存器:

DRAM用於儲存計算機處理器執行所需的資料或程式程式碼。它通常存在於個人電腦(PC)和伺服器中。智慧手機也在不斷增加所需的DRAM內容,高階駕駛輔助系統(ADAS)等汽車電子應用對DRAM的需求也在不斷增加。

NAND是最常見的快閃記憶體型別。與DRAM不同的是,它不需要電源來保留資料,所以它被用於永久儲存。典型應用包括用作膝上型電腦硬碟驅動器的固態驅動器(SSD)或用於行動式裝置的安全數字(SD)卡。

3、分立,模擬和其他(DAO)(佔行業收入的32%)

這些是半導體,用於傳輸,接收和轉換涉及連續引數(例如溫度和電壓)的資訊:

分立產品包括設計用於執行單個電氣功能的二極體和電晶體。

模擬產品包括電壓調節器和資料轉換器,可將來自語音等源的模擬訊號轉換為數字訊號。這一類還包括任何型別的電子裝置中的電源管理積體電路,以及使智慧手機能夠接收和處理來自蜂窩網路基站的無線電訊號的射頻(RF)半導體。

其他產品還包括光電產品,例如用於感知相機中光線的光學感測器,以及各種各樣的物聯網裝置中可以找到的各種非光學感測器和執行器。

半導體被用於跨越經濟主要領域的多種應用的所有型別的電子裝置中(圖2)。這些應用市場中的每一個都需要上述三種主要類別的半導體。例如,行動電話的DAO內容(對於諸如蜂窩連線性,攝像頭和功耗管理等功能必不可少)實際上與邏輯內容(包括微處理器)一樣多。在新一代手機中提供更高的計算能力)和記憶體(用於在裝置上儲存數字內容)。全球半導體收入的大約65%來自用於多個應用程式的通用元件。

在當今的經濟中,所有型別的半導體都是必不可少的,可為各種電子裝置供電。

對半導體的需求高度全球化。來自每個區域的全球半導體需求份額不同,具體取決於需求起點的定義。儘管半導體通常由電子裝置製造商採購以製造其產品,但最終半導體需求是由購買這些裝置的終端使用者驅動的。這就是為什麼從地理角度出發,參考全球電子供應鏈中的替代要點,可以採用三種不同的方法來衡量半導體需求的來源:

A.電子裝置製造商總部的位置。 這些公司是晶片公司的客戶,他們購買用於其裝置的半導體。電子裝置製造商通常被稱為原始裝置製造商(OEM),通常設計其產品並決定從哪個供應商使用哪些元件。例如,採用這種方法,即使產品可能在另一個國家實際製造,進入美國總部設在美國的公司開發的智慧手機中的半導體也將根據美國的需求進行計算。

B.裝置製造/組裝地點: 原始裝置製造商通常不在其總部所在國或設計裝置的工程團隊所在國製造裝置。相反,這些裝置通常由位於不同國家或許多不同國家的製造廠組裝,通常由稱為原始裝置製造商(ODM)或電子製造服務(EMS)的其他公司組裝。這是成品半導體需要實際運送到的地點。例如,採用這種方法,一家美國公司設計的智慧手機中的晶片,實際上是一家臺灣承包商在中國大陸的工廠製造的,將被計算為中國的需求。

C.購買電子裝置的終端使用者的位置。 考慮到半導體是元件,半導體需求最終是由向終端使用者(包括消費者和企業)銷售電子裝置驅動的。在我們的例子中,由一家美國公司設計但在中國組裝的智慧手機所含晶片的價值將分佈在全球所有這些智慧手機銷售給消費者的國家。

圖表3顯示了全球半導體需求的地理分佈,使用了這三種不同的視角:不同國家或地區的份額因標準不同而有很大差異。但這三種可能的方法都不被認為是“正確”的答案——它們只是反映了國家/地區在更廣泛的電子行業中扮演的不同角色。

考慮到電子裝置製造商的位置(圖中的標準A),美國仍然驅動著全球半導體總需求的33%,在所有地區的參與率最高。

2019年,美國公司在大型個人電腦和資訊通訊基礎設施(包括資料中心和網路裝置)應用市場的市場份額合計約為45%,在智慧手機和工業裝置市場的市場份額為30%。在過去10年裡,中國的參與度增加了兩倍,現在已經成為第二個明顯的地區。中國作為半導體需求的一個巨大來源地的崛起,是由中國本土企業在智慧手機、個人電腦和消費電子產品領域的實力推動的:華為、聯想、小米和Oppo/Vivo等公司不僅在中國國內市場銷售產品,而且是其他市場的主要競爭對手。

根據終端電子裝置製造/裝配位置標準(圖中的B),中國是排名第一的地區,反映了中國在電子製造業,特別是智慧手機和消費電子產品方面的實力。作為全球主要的製造業中心,中國是2019年全球晶片銷售總額的35%左右的目的地。但許多通過這一中間步驟進入中國的晶片最終並不是作為中國終端使用者購買的產品消費,而是作為“中國製造”裝置的零部件再運往海外,出口到其他國家。

聚焦於裝置有效銷售給終端使用者的地方(圖中的C)顯示了半導體需求最終來自何處。根據不同應用型別的可用市場資料,我們估計中國消費者和企業購買的裝置中包含的半導體含量價值約佔2019年全球半導體收入的24%,幾乎與美國持平(25%),比歐洲高出幾個百分點(20%). 然而,中國在全球半導體消費中所佔的份額預計在未來5年內將繼續增加,因為分析師預測,在大多數電子裝置類別中,中國國內市場的增長將超過世界其他地區平均4-5個百分點。

半導體價值鏈的結構

任何半導體的創造和生產所涉及的產業價值鏈都是極其複雜和全球化的。在高層次上,它由四大步驟組成,由材料、裝置和軟體設計工具以及核心智慧財產權供應商的專業生態系統支援(圖表4):

如上圖所示,預研究佔整個行業研發的15-20%。

預研究的目的是確定基礎材料和化學工藝,以在設計架構和製造技術方面進行創新,從而實現計算能力和效率的下一次商業飛躍。它通常是科學和工程領域的基礎研究,其成果通常在科學界廣泛發表和分享,區別於專利研究和工業開發、設計和生產。競爭前基礎研究與行業研發在性質上是不同的:這兩種型別是互補的,而不是多餘的。事實上,人們發現,競爭前研究能夠刺激和吸引行業研發。

從一種新的技術方法在研究論文中被引入到大規模商業製造的平均時間估計約為10-15年,但這可能比實現當前前沿技術的科學突破要長得多。例如,極端紫外線(EUV)技術是最先進的半導體制造節點的基礎,從早期的概念演示到在晶圓廠的商業化實施,幾乎用了40年時間。

雖然沒有半導體行業的可用資料,但在大多數領先國家,基礎研究通常佔總體研發投資的15-20%。例如,在美國,基礎研究一直穩定在研發總量的16-19%。基礎研究由來自私營公司、大學、政府資助的國家實驗室和其他獨立研究機構的科學家組成的全球網路進行,這些機構在聯合研究工作中進行合作

特別是,政府在推進基礎研究方面發揮著非常重要的作用。半導體工業協會(SIA)先前對聯邦研發的一項研究確定了8項重大的半導體技術突破,這些突破來自政府資助的研究專案。例如,砷化鎵(GaAs)電晶體使智慧手機能夠建立到蜂窩塔的無線通訊鏈路,這是在20世紀80年代末國防部的微波和毫米波積體電路(MIMIC)計劃中發明的。

對美國所有行業的研發總投資進行分析,可以對競爭前研究的規模和獨特特徵提供一些見解。根據美國國家科學基金會(National Science Foundation)收集的資料,美國聯邦政府是基礎研究的主要貢獻者,2018年的投資佔42%。另外30%的資金來自州政府、大學和其他非盈利研究機構,其餘28%來自公司。相比之下,私營企業在應用研究和開發領域的份額接近80%,而應用研究和開發通常是在基礎研究取得突破之後進行的

美國說明了政府在基礎研究中的關鍵作用,儘管對半導體行業的貢獻似乎落後。

美國對半導體基礎研究的資助似乎遠遠落後於應用研發的增長。SIA的研究發現,2018年,美國聯邦政府對半導體相關研發(包括基礎研究、應用研發)的總體投資僅佔美國半導體研發總量的13%。這一比例大大低於聯邦政府資金在美國所有部門研發支出總額中所佔的22%。事實上,在過去40年中,儘管美國私人對半導體研發的投資佔GDP的比例增長了近10倍,但聯邦政府的投資卻一直持平。鑑於美國目前在整個半導體價值鏈研發密集型活動中所起的主導作用,基礎研究經費缺口的影響可能超出美國企業的相對競爭力,併為整個行業保持其創新歷史步伐的能力帶來風險。

相反,中國為建設強大的國內半導體產業而投入大量資金進行競爭前研究。在過去的20年中,中國一直在縮小與美國在整體研發支出上的差距。根據經濟合作與發展組織(OECD)的資料,按絕對值計算,2018年中國是世界第二大研發支出國:按購買力平價計算,中國的研發總投資僅比美國低5%。但是,目前只有約5-6%的中國R&D支出用於基礎研究,遠低於其他在R&D方面投入高的國家。

中國3月份宣佈的新的2021-25年五年計劃明確將推進基礎研究列為一個關鍵的優先事項。到2021年,中央政府的基礎研究支出將增長11%,遠遠高於總體研發投資計劃的7%和GDP增長6%的目標。半導體已被指定為七個在資金和資源方面將優先考慮的領域之一。

參與設計的公司開發納米級積體電路,執行使電子裝置工作的關鍵任務,如計算、儲存、網路連線和電源管理。設計依賴於高度先進的電子設計自動化(EDA)軟體和可重用的體系結構構建塊(“IP核心”),在某些情況下,還外包了專門技術供應商提供的晶片設計服務。

設計活動在很大程度上是知識型和技能型的:它佔整個行業研發的65%和附加值的53%。事實上,半導體設計領域的公司通常會將其年收入的12%至20%投資於現代複雜晶片的研發,例如為當今智慧手機提供動力的“晶片上系統”(SoC)處理器,需要數百名工程師組成的龐大團隊數年的努力,有時利用外部IP和設計支援服務。隨著晶片變得越來越複雜,開發成本迅速上升。為一款旗艦智慧手機設計的最新片上系統的總開發成本,包括處理音訊、視訊或提供高速無線連線所需的專用模組,可能遠遠超過10億美元。重複使用先前設計的相當一部分的衍生產品,或者可以在成熟節點上製造的新的更簡單的晶片,開發成本僅為2000萬到2億美元。

高度專業化的半導體制造設施,通常被稱為“晶圓廠”,將納米級積體電路從晶片設計印刷到矽片上。每個晶圓包含多個相同設計的晶片。每個晶圓的實際晶片數量取決於特定晶片的大小:它可以是一百個為計算機或智慧手機提供動力的大型複雜處理器,也可以是數十萬個用於執行簡單功能的小型晶片。

製造過程錯綜複雜,需要高度專業化的投入和裝置才能以微型規模實現所需的精度。積體電路在潔淨室中製造,以保持無菌環境,防止空氣中的微粒汙染,這些微粒會改變構成電子電路的材料的特性。相比之下,在一個典型的城市地區,室外空氣中每立方米含有3500萬個直徑為0.5微米或更大的顆粒,而半導體制造的無塵室中,這種尺寸的顆粒是絕對不允許的。

根據具體產品的不同,半導體晶圓的整個製造過程有400到1400個步驟。製造成品半導體晶圓的平均時間,也就是所謂的週期時間,約為12周,但如果採用先進工藝,則需要14-20周才能完成。它利用了數百種不同的輸入,包括原始晶片,商品化學品,專用化學品以及許多不同型別的加工和檢測裝置和工具,在多個階段(表6)。這些步驟通常重複數百次,取決於所需的電子電路的複雜性。

製造工藝技術的進步通常用“節點”來描述。術語“節點”指的是電子電路中電晶體柵極的納米大小,但隨著時間的推移,它已經失去了其最初的含義,併成為一個涵蓋性術語,既指較小的特徵,也指不同的電路結構和製造技術。一般來說,節點尺寸越小,晶片的功能就越強大,因為在相同尺寸的區域可以放置更多的電晶體。這就是“摩爾定律”(Moore’s Law)背後的原理。“摩爾定律”是半導體行業的一個重要觀察和投影,即邏輯晶片上的電晶體數量每18至24個月就會翻一番。自1965年以來,摩爾定律一直在支援處理器效能和成本同時不斷提高的步伐。如今,智慧手機、電腦、遊戲機和資料中心伺服器上的先進處理器都是在5到10納米節點上製造的。使用3納米工藝技術的商用晶片生產預計將於2023年左右開始。

雖然邏輯和記憶體晶片用於數字應用程式大大受益於電晶體的大小比例與較小的節點,但其他型別的半導體——尤其是上文所述的DAO組中的半導體——通過遷移到更小的節點,或者僅僅使用在更小的規模下無法工作的不同型別的電路或架構,並不能達到同樣程度的效能和成本效益。因此,今天的晶圓製造仍然在廣泛的節點上進行,從用於高階邏輯的5納米的當前“領先節點”到用於離散、光電子、感測器和模擬半導體的180納米以上的傳統節點。事實上,目前只有2%的全球產能是在10納米以下的節點上生產的(表7)。

由於生產半導體所需的規模和複雜裝置,前端製造是高度資本密集的。一個擁有標準產能的最先進半導體工廠需要大約50億美元(用於先進的模擬晶圓廠)到200億美元(用於先進的邏輯和記憶體晶圓廠)的資本支出,包括土地、建築和裝置。這遠遠高於下一代航空母艦(130億美元)或新核電站(40億至80億美元)的估計成本。專注於半導體制造的公司的資本支出通常佔其年收入的30 - 40%。因此,晶圓佔大約65%的總行業的資本支出和25%的增值。它主要集中在東亞(中國臺灣、韓國和日本)和中國大陸。

這一階段包括將晶圓廠生產的矽片轉換成成品晶片,準備組裝成電子裝置。在此階段參與的公司首先將矽晶片切成單個晶片。然後將晶片包裝到保護框架中,並裝入樹脂外殼中。晶片在運往電子裝置製造商之前,會經過更嚴格的測試。

供應鏈的後端階段仍然需要對專用設施進行大量投資。專門從事組裝,封裝和測試的公司通常將其年收入的15%以上投資於設施和裝置。儘管與前端製造階段相比,它的資本密集度相對較低,並且僱用了更多的勞動力,但高階封裝中的新創新正在改變這種局面。總體而言,這個行業佔2019年行業資本支出總額的13%,佔該行業總增加值的6%。它主要集中在臺灣和中國大陸,最近還在東南亞興建了新設施(馬來西亞,越南和菲律賓)。

在設計階段,電子設計自動化(EDA)公司提供複雜的軟體和服務來支援半導體設計,包括專業應用專用積體電路(asic)的外包設計。由於單片晶片包含數十億個電晶體,最先進的EDA工具是設計具有競爭力的現代半導體所不可或缺的。

核心IP供應商許可可重用的元件設計——通常稱為“IP塊”或“IPs”——具有定義好的介面和功能,以便設計公司將其整合到晶片佈局中。這些還包括與每個製造過程節點相關聯的基礎物理ip,以及許多介面ip。EDA和核心智慧財產權供應商在研發上投入巨資,約佔其收入的30 - 40%,2019年約佔行業增加值的4%。

半導體制造在製造過程的每一步都使用50多種不同型別的精密晶圓加工和測試裝置,這些裝置由專業供應商提供。(圖8)。

光刻工具是製造廠商最大的資本支出之一,它決定了晶圓廠能生產多先進的晶片。先進的光刻裝置,特別是那些利用極端紫外線(EUV)技術來製造7納米及以下的晶片。一臺EUV裝置的成本為1.5億美元。

計量和檢測裝置對半導體制造過程的管理也是至關重要的。因為這個過程涉及到一到兩個月的數百個步驟,如果在過程的早期出現任何缺陷,所有在隨後耗時的步驟中進行的工作都將被浪費掉。因此,在半導體制造過程的關鍵環節建立了嚴格的計量和檢測流程,使用專門的裝置,以確保一定的成品率能夠得到確認和保持。

現代工廠還擁有先進的自動化和過程控制系統,用於直接裝置控制、自動化物料運輸和實時批量排程,許多最新的設施幾乎完全自動化。

半導體制造裝置也包含許多具有特定功能的子系統和元件,如光學或真空子系統、氣體和流體管理、熱管理或晶圓處理。這些子系統由數百家專業供應商提供。

開發和製造這樣先進的、高精度的製造裝置也需要大量的研發投資。半導體制造裝置公司通常將其收入的10 - 15%投資於研發。2019年,半導體裝置製造商供應商佔行業研發總量的9%,佔行業增加值的11%。

最後,參與半導體制造的公司也依賴於專業的材料供應商。半導體制造業使用多達300種不同的投入,其中許多也需要先進的生產技術。例如,用於製造矽錠的多晶矽,隨後被切成晶片,其純度要求是太陽能電池板的1000倍,主要由四家公司提供,其全球市場份額加起來超過90%。圖9顯示了2019年用於前端和後端製造的關鍵系列半導體制造材料的全球銷售細分。

半導體同時獨具備高研發投入和高資本支出特性

半導體是設計和製造非常複雜的產品。因此,半導體產業呈現出高研發和高資本密集度的雙重特點。總的來說,我們估計2019年全球產業在價值鏈所有活動上的研發投資約為900億美元,資本支出約為1100億美元。這兩個數字加起來幾乎佔同年全球半導體銷售額4190億美元的50%。

如上圖4所示,雖然65%的產業研發投資(不包括競爭前的研究)是在價值鏈的設計層進行的,但在EDA和核心IP、半導體裝置和晶圓製造等領域也有顯著的研發活動。同樣,65%的行業資本支出用於晶圓製造,但組裝和測試、材料甚至設計也需要大量投資於先進的設施和裝置。

考慮到企業在整個全球價值鏈上的投資,沒有其他行業在研發(佔最終晶片年收入的22%,領先於製藥)和資本支出(佔最終晶片收入的26%,領先於公用事業)兩方面都有如此高的強度。(見圖10。)這種極高的投資強度產生了對大規模全球規模和專業化的需求。

後端材料包括引線框架,有機基板,陶瓷封裝,封裝樹脂,粘接線和模接材料。與上述晶圓製造材料相比,它們通常具有相對較低的技術生產壁壘。

這些高度專業化的材料的生產是在大型工廠完成的,這也需要高投資。全球領先的矽片、光敏電阻或氣體供應商的年度資本支出通常佔其收入的13 - 20%。總體而言,材料供應商在2019年的資本支出總額中佔6%,佔行業增加值的5%。

半導體業務模型

自半導體產業在20世紀60年代誕生以來,其結構已從最初的垂直整合企業形式發展到現在的所有生產階段。技術複雜性的急劇增加,以及對大規模投資的需求,以保持設計(以研發的形式)和製造(以資本支出的形式)創新的步伐,有利於專業化參與者的出現。

今天的半導體公司可能會專注於供應鏈的一層,或者跨幾層進行垂直整合。沒有一家公司甚至整個國家是垂直整合的。目前有四種類型的半導體公司,這主要取決於他們的整合水平和商業模式(圖11):整合器件製造商(IDMs),無晶圓廠設計公司,代工廠和外包組裝和測試公司(OSATs)。

IDM被垂直整合到價值鏈的多個部分,進行設計;製造;內部的組裝,封裝和測試活動。實際上,一些IDM擁有混合的“ fab-lite”模型,在那裡他們將一些生產和組裝外包。在該行業的早期幾十年,IDM模式占主導地位,但迅速增加的研發和資本支出的規模創造了規模和專業化的同時需求,這導致了晶圓廠-代工模式的出現。目前,IDM在專注於記憶體和DAO產品的公司中更為常見,這些產品主要是通用元件,微縮需求更強。2019年,IDM佔全球半導體銷售的約70%。

無晶圓廠選擇專注於設計,並將晶片製造,裝配、封裝和測試外包。無晶圓廠企業通常將製造外包給純晶圓廠和OSATs。自20世紀90年代以來,無晶圓廠模式隨著半導體需求的增長而發展,因為創新的步伐使得許多公司越來越難以同時管理製造的資本密集度和設計的高水平研發支出。隨著向更小的製造節點轉移,技術難度和前期投資飆升,無晶圓廠企業佔半導體總銷量的比例從2000年的不到10%上升到2019年的近30%。

邏輯晶片基本上是無晶圓廠企業的領域,英特爾和三星是例外。這種動態是由於市場的步伐要求改進的功率和效能能力,以支援智慧手機的快速週期和新興的前沿應用程式的人工智慧和高效能運算。

代工廠解決了無晶圓廠和IDM的製造需求,因為大多數IDM內部沒有足夠的差能來滿足他們的所有需求。這種商業模式使代工廠能夠分散與建造現代晶圓廠所需的大筆前期資本支出相關的風險,這些資金需要跨越設計公司和IDM的更大客戶足跡。大多數晶圓代工廠只專注於為第三方製造,儘管一些具有強大製造能力的IDM除了自己的晶片外,也可能選擇為他人制造晶片。

撇開記憶體不說,在過去的五年中,晶圓代工廠為DAO和邏輯產品增加了60%的增量產能。目前,代工廠佔整個行業生產能力的35%,如果不考慮記憶體,則佔50%。在先進(14納米或以下)和後續節點(20到60納米)使用更先進的12 " /300mm晶圓尺寸時,他們的份額上升到78%。此外,目前僅有兩家公司可以在領先的5納米節點上進行生產,這兩家公司是代工廠。

OSATs為IDMs和無晶圓廠公司提供組裝、封裝和測試服務。這部分供應鏈最早是在上世紀60年代由一些美國IDM轉移到海外的,因為這部分供應鏈的資本密集度較低,且需要低技能勞動力。無晶圓廠代工模式也導致了專門的OSAT公司的出現。

全球規模化的需求

以上所述的經濟因素,再加上生產半導體所需的複雜技術方面的深厚專業知識,在供應鏈的核心活動中形成了進入的天然障礙,導致每個產業鏈中的供應商基礎相對集中。

在製造業,建設新產能所需的前期投資規模龐大,是一個主要障礙。舉例來說,2015年至2019年,五大晶圓代工廠的年資本支出總計約為750億美元,或平均每家公司每年30億美元,相當於其年收入的35%以上。

雖然半導體設計不需要大量的資本支出,但其高研發強度也創造了顯著的規模優勢,併成為進入壁壘。例如,在2015年至2019年的5年中,排名前5位的無晶圓廠企業在研發上的投資為680億美元,平均每家企業每年投資28億美元,相當於其收入的22%。

只有規模非常大的公司才有可能從這些大規模投資中獲得令人滿意的回報。這就是為什麼在半導體供應鏈的不同產業鏈條中,全球排名前三的企業通常佔各自部門收入的50%至90%。

半導體供應鏈真正全球化:六大區域(美國、韓國、日本、中國大陸、中國臺灣和歐洲)在2019年半導體產業增加值中各佔8%以上。如圖表12所示,半導體的典型行程涉及設計和製造過程中不同階段的大多數(如果不是全部)地理區域。

在某種程度上,半導體供應鏈的這種高度分散式結構遵循半導體工業和電子行業的全球地理分佈。靠近開發這些裝置的領先公司對於半導體設計公司可能很重要,具體表現為:

  • 美國是電子裝置設計的全球領導者。 如圖2所示,美國消費電子,資訊科技,汽車和工業公司使用了世界上35%地區的半導體產品,包括用於PC和資料中心的高階晶片。

  • 大中華區(包括中國臺灣)是全球最大的電子裝置集散地。 當地的原始裝置製造商(OEM)和合同製造商,由其他公司設計和組裝的裝置佔世界消費電子產品的60%以上。

  • 歐洲企業是汽車和工業自動化裝置的全球領導者; 日本在這兩個領域和消費電子產品領域都很強大;韓國是智慧手機和其他消費電子產品的重要力量。

雖然靠近客戶是半導體供應鏈全球相互依存結構的重要因素,但還有三種額外的關鍵因素:全球研發網路、地區專業化和貿易自由化。接下來,我們更詳細地分析一下這三個因素:

1、全球研發網路

半導體是一個需要在研發方面進行高投入的行業,且需要在商業應用之前投入多年。研發主題通常為大學和政府資助的先進科學實驗室、半導體公司和科研機構,它們分攤研究成本,並避免重複投入和資源浪費。

過去10年內,在全球範圍內提交的與半導體相關的科學出版物數量,中國和美國排在前兩位。我們對科學出版物的分析表明,半導體研究往往涉及跨境的合作:

  • 中國機構出版的半導體科學出版物中,有36%是與其他國家的機構共同撰寫的,事實上,美國是中國機構最大的研究夥伴。

  • 在來自美國機構的出版物中,有60%與其他國家的機構共同撰寫,中國是最大的合作者,隨後是德國和韓國。

從事實上卡,半導體技術的一些最關鍵的進步是全球參與者幾十年來研發協作的結果。例如雖然美國開創了FinFET技術,並且擁有48%的相關專利,但其它國家也極大地促進了使該技術實現商業化的研發。具體來說,中國臺灣地區的幾家領先的晶圓代工廠,貢獻了20%的Finfet專利。

在EUV領域,該技術是製造7和5納米以及更先進製程節點晶片的關鍵半導體裝置,其開發在20世紀80年代開始於美國和日本, 1986年第一次展示了該技術。在20世紀90年代和2000年代初,日本NTT在貝爾實驗室和勞倫斯國家實驗室進一步推動了這項技術的研究。繼NTT之後,荷蘭公司ASML尋求進一步發展和商業化EUV,並與IMEC等機構和企業合作推進,後者包括英特爾(總部位於美國),三星(韓國)和臺積電(中國臺灣)合作。

ASML及其全球合作伙伴在技術商業化之前的階段提供資助研發,在過去這些年當中,ASML投入了80億美元,並在2018年開始在現代工廠實現該技術的商業化規模量產。

除了在潛在技術的發展中的全球合作之外,EUV還依賴於全球供應鏈:如圖13所示,ASML開發的EUV光刻裝置包含約5,000多個供應商提供的大約100,000個零件。

2、地區專業化

如上所述,六個主要地區掌控著全球半導體行業的產能。但每個地區在全球半導體供應鏈中發揮著不同的作用:廣泛地說,美國在研發方面領先:當中包括EDA和核心IP,晶片設計和製造裝置。而原材料和製造(晶圓製造以及組裝,封裝和測試),這些都是資本密集型的,在很大程度上集中在亞洲(見圖14)。

儘管在過去幾十年中,美國政府對基礎研究的支援滯後,但美國依然是半導體研發的全球領導者。它是世界上一些最突出的技術大學和半導體公司叢集的所在地,這帶來了良性的教育,研究,創業和資本迴圈,促進了創新。雖然中國一直在積極投資半導體研發,且是目前最大的半導體學術研究論文和專利總數持有者,但美國仍然是業內最主要的創新來源:他們與歐洲一起,具有最高的專利轉換率(通常被視為與全球商業潛力直接相關),這在半導體行業裡通常是高質量創新的標誌,美國的專利平均轉換率高於任何其他國家,且普遍高出3到6倍(見圖15)。

在晶片設計領域,包括無晶圓廠和IDM在內的美國公司擁有接近50%的全球半導體銷售份額,其關鍵的成功因素是獲得了高技能的工程人才和蓬勃發展的創新生態系統,特別是領先的大學。而在前20名的半導體公司中((包括Fabless和IDM)),有10個總部位於美國。2019年收入前5的EDA和核心IP公司中,有4家總部位於美國。根據財務報表,在2019年,美國參與半導體設計的公司在研發上花費了當年收入的18%。

如果去調查員工所在地區,我們得出的結果也突出了美國在半導體設計中的領導地位:

資料顯示,大約50%的涉及設計的全球半導體公司僱用的工程師位於美國。這個數字包括來自美國和非美國公司的工程師。設計公司越來越依賴於全球工程人才池,特別是在印度,我們估計世界上20%的半導體設計工程師來自這裡。

外國人才對美國在半導體創新方面的領導地位發揮了重要作用。回顧歷史,一些最基本的半導體技術仍然在大多數現代半導體中使用 ,例如金氧半導體場效應(MOSFET)電晶體和互補金氧半導體(CMOS)製造工藝都是由移民的科學家到美國後製定的。目前,美國大約有40%的高技能半導體工人在國外出生。這與美國大學吸引了來自全球的技術人才有關。相關資料顯示,國際學生在電氣工程和電腦科學研究生中佔三分之二,並且在完成學位後,有80%以上留在該國。

來到半導體制造領域,這是高度資本密集型產業,需要有吸引力的投資(特別是政府的激勵),並獲得強大的基礎設施支援(電力和供水,運輸和物流),同時還需要具競爭力的熟練製造工人。如我們先前的報告所述,專注於半導體制造經濟學,政府激勵可能佔新的最先進的FAB的10年總體所有權總額(TCO)的30-40%,估計為先進的模擬FAB提供100到150億美元,其中高階邏輯或記憶體的投入為300到400億美元。

目前,東亞地區(包括日本,韓國和中國臺灣)和中國大陸集中了全球半導體制造能力的75%,當中包括所有7納米產能。根據當前市場條件,預計其份額將在未來十年內繼續上升。根據我們在圖16中彙總的分析,新FAB的TCO方面,美國大約比亞洲高出25-50%,40-70%的差異歸因於政府激勵措施。

特別需要注意的是,中國臺灣自1974年以來一直在發展半導體制造業,當時政府選擇半導體作為一個關鍵的焦點行業,以拓展農業以外的經濟發展動力。政府政策包括直接支援,制定研發實驗室和工業園區並提供激勵措施,慷慨的稅收抵免,以及新工廠的建設,可以涵蓋其資本開支的35%和13%的裝置購買,還有間接激勵措施,如金融部門和資本市場的改革,以促進獲得資金。

雖然2009 - 2010年後,這些激勵計劃減少了,但我們估計中國臺灣在近10年期間,仍然為新的工廠提供了佔總總體成本25-30%的獎勵。其他亞洲地區,如韓國和新加坡,目前的相關投入遠低於中國大陸。相比之下,美國和歐洲目前可用的新FAB建築的激勵措施估計佔總成本的10-15%。

在20世紀80年代後期,中國臺灣公司開創了晶圓代工商業模型,專門從事生產其他地區公司設計的晶片。今天,臺灣地區擁有全球5個最大晶圓代工廠中的2個,佔全球晶片總產能的20%。與英特爾(美國)和三星(韓國)一起,TSMC是可以在高階節點(10納米及以下)中生產邏輯晶片的三個公司之一,這是資料中心/AI伺服器等計算密集型裝置所必需的。事實上,幾乎所有世界上領先的節點(5和7納米)的產能都位於臺灣地區(見圖17)。

相比之下,裝配,封裝和測試的資本密集度不高。雖然晶圓代工廠的年資本支出通常約為他們收入的35%,但對於專門從事外包半導體封裝和測試的領先公司(Osats)資本支出通常不到晶圓代工廠的一半,大約佔Osats收入的15%。鑑於資本強度較低,勞動力成本是Osat公司的關鍵競爭因素。

相關資料顯示,中國大陸,中國臺灣和東南亞熟練勞動力的平均製造工資均低於美國80%。10大Osats公司中的9家總部位於中國大陸、中國臺灣和新加坡。中國大陸和臺灣地區佔世界封裝和測試產能的60%以上。最近,Osats公司還開始使自己的全球足跡多樣化,建立其他地方的新產能,如在馬來西亞等勞動力成本低的地區建廠。然而,隨著先進封裝領域的技術創新水平的增加,勞動力成本可能變得越來越低。

3.貿易自由化

上述地區專業化意味著專注於半導體供應鏈的特定層的公司需要與通常位於其他國家/地區的產業鏈中下游的其他公司進行協作。此外,考慮到半導體在所有型別的電子產品中使用,最終需要將半導體部件運送到最終器件的製造地。

例如,如本報告所述,雖然我們估計基於美國的電子裝置製造商負責徵收全球半導體需求的33%,但在許多情況下,他們的裝置實際上是在美國以外製造的。例如中國是全球領先的電子裝置製造商的約35%的半導體出貨量的目的地,他們的產品在那裡組裝。

貿易協定已成為半導體產品的關稅和貿易壁壘,並加強了智慧財產權的保護。積體電路是全球交易中最低關稅的產品之一。特別是在世界貿易組織的資訊科技協議(ITA)自1997年以來生效,並在2015年進一步擴大之後。我們的分析表明,1997 ITA原文中包含的半導體相關商品的貿易增長了10.5%,超過了20年期內的CAGR,超過了該協議中未涵蓋的半導體產品的其餘部分,以3個年度增長情況來看,全球半導體相關貿易價值增加了20%。

實際上,供應鏈的全球性質和各國之間的相互依存性可以通過半導體貿易的幅度和組成來說明(見圖18)。2019年,全球半導體貿易達到1.7萬億美元。這是2019年全球半導體銷售價值的四倍以上,這表明半導體開發和製造中涉及的跨境交易的巨大程度。事實上,半導體是世界第四大交易產品,前三位是原油,機動車及配件和精製油。

根據我們的分析,超過120個國家(超過60%的國家)涉及半導體產品的出口或進口。儘管中國的半導體設計和製造的份額仍然相對較低,但該國在製造和組裝電子產品中的重要位置,使得該國成為半導體貿易的中心地帶。

  • 這種全球結構的意義:相互依存

半導體供應鏈的全球結構、專業化,意味著各公司需要在相互依賴的關係中跨越邊界互動和協作。例如,雖然美國是供應鏈中的全球領導者(EDA、核心IP、設計和製造裝置),並以高研發強度為特徵,且全球半導體銷售(45-50%)份額高於其終端使用者全球電子裝置消費的份額(25%),它仍然依賴於其他國家的許多活動,這主要集中在半導體制造領域。例如材料,晶圓製作,裝配,封裝和測試服務,甚至在領先的製程節點晶片製造的一些主要先進裝置方面,美國也需要依賴別人。如荷蘭的EUV光刻機。

基於比較優勢的專業化產生的這種相互依賴性為半導體行業帶來了巨大的益處,最終為電子裝置的製造商依靠半導體的效能和成本依賴於持續改進,以推動數字服務的進步。

作為來自這種全球結構的好處的說明,我們考慮了一個假設的場景,美國半導體公司必須擁有全球製造的所有產品。由於美國公司於2019年佔全球半導體銷售額的49%,這意味著 在這個假設的場景中,美國將擁有全球半導體制造能力的49%,而不是目前的12%。

如果沒有足夠的政府激勵措施,那些位於美國的工廠將以相對較高的運營成本(勞動力,電力,由於較高前期資本支出而導致的年度折舊,包括各地區政府激勵措施的差異)運作,其競爭力不如韓國,中國臺灣或中國大陸。

引用我們2020年9月的報告中使用的Fab經濟學模型,在這一假設方案中,美國半導體公司的生產成本將增加約15%。反過來,這將破壞美國半導體公司的競爭力,並降低他們維持當前研發的能力的投資水平。鑑於美國公司在晶片設計中的全球領導地位,它最終可能會減緩創新,並最終導致全球電子裝置製造商的成本升高。

  • 新的全球背景下的風險

在過去三十年的歷程中,半導體供應鏈的全球結構服務於該行業,它在支援創新和終端使用者採用資訊科技方面發揮了重要作用,使得消費者和企業非常受益。然而,在過去的幾年中,出現了幾個新因素,帶來了新的風險。在過去三十年中,基於比較優勢的地理專業化的好處導致出現更集中和相互依存的全球半導體供應鏈。雖然沒有詳盡無遺,但我們的分析表明,整個供應鏈中有超過50個點,單個區域佔全球總供應總額的65%或更多。

雖然集中化能很好地服務於該行業,但從過往發生的某些事看到,高度的集中也給半導體行業帶來兩大風險:

  • 產業鏈高度地理集中可能導致大規模的供應中斷

  • 地緣政治緊張關係,可能損害全球對供應商或客戶的准入

供應鏈集中帶來的大規模的中斷供應風險

製造業的過度地理集中使產業面臨巨大的風險,包括自然災害、基礎設施故障、網路攻擊甚至地緣政治摩擦都能給全球的供應帶來新挑戰。

上述情況有許多例子,過去三十年裡也發生了不少,以下摘錄了一些典型範例:

  • 1993年,日本住友化工廠爆炸的影響經常被用來說明這種集中情況帶來的風險的典範。因為這件事影響了全球60%的環氧樹脂供應,這導致美國市場DRAM儲存晶片的現貨價格從平均30美元/兆位元組飆升到大約80美元/兆位元組。

  • 1999年9月,中國臺灣中部發生強烈地震,臺灣新竹科學園因停電而停工六天。結果,記憶體芯片價格上漲了兩倍,全球電子產品公司的股票也大幅下挫,IBM、惠普、英特爾和施樂等企業的市值在地震發生一個月後損失了18%到40%。

  • 2011年,日本發生了一場大地震,接著是海嘯和核電站融化。這影響了全球25%的矽片生產和75%的全球過氧化氫供應。有幾個工廠嗨關閉了幾個月。

  • 2019年,日本和韓國之間的地緣政治緊張局勢急劇上升。日本對韓國的半導體材料實行出口管制,這影響了每個月大約70億美元的半導體出口。

  • 2020年12月,位於臺灣的記憶體工廠僅停電一小時,就影響了全球DRAM供應的10%。

  • 2020年10月和2021年2月,臺灣的一個封裝基板工廠發生的兩起火災加劇了全球組裝能力的短缺。

  • 今年年初,德克薩斯州大學引發的大面積停電和日本Renesas工廠發生的火災,進一步加劇了全球晶片供應短缺,特別是在汽車市場。

由此可見,製造能力顯然是全球半導體供應鏈的一個主要關注點。目前,全球近75%的晶片生產容量集中在東亞(日本、韓國和臺灣)和中國大陸,這是一個嚴重暴露於高地震活動和地緣政治緊張的地區,風險也是可想而至的。如果統計這個地區的先進技術佔比,那麼這個數值更高,因為從目前看來,全球領先的7納米和5納米節點100%都在以上地區生產。

值得一提的是,如表17所示,臺灣擁有世界邏輯晶片產能的40%,並在10納米或以下的最先進節點中取得遙遙領先的位置,這讓他們製造了大部用於智慧手機、PC、資料中心伺服器和自動駕駛所需的應用處理器、CPU、GPU和FPGA晶片,我們做一個極端假設的假設,如果臺灣晶圓廠停擺一年,那麼臺灣晶圓行業將損失420億美元。

在這種情況下,全球不同應用市場的電子裝置製造商的收入會銳減4900 億美元。換而研製就是帶來了12倍以上的負面影響。屆時全球電子供應鏈將會停止,造成嚴重的全球經濟混亂。如果這種假設的徹底破壞成為永久性的事實,那麼行業至少需要三年時間,並投入3500億美元資金,才能將產業拉回到以前的位置。這將是一項前所未有的任務。

此外,如矽片、光刻膠、化合品材料、封裝基板和特種氣體也都擁有高度集中的特性。雖然每種特殊材料只佔該行業總增加值的很小一部分,但沒有他們,就不能製造半導體。由此可見保證其供應可持續性的重要性。

舉個例子,,C4F6是一種用於製造3D NAND快閃記憶體和先進邏輯晶片的關鍵工藝氣體,在晶片蝕刻的過程中,這是必不可少的。在2019年,C4F6的銷售額約為25億美元。檢視這個產品的供應,前三位供應商分別位於日本、俄羅斯和韓國,佔了全球供應的40%、25%和23%。如果這三家最大的生產商中的任何一家受到嚴重干擾,6000萬至1億美元的C4F6供應損失可能會導致在半導體鏈下游的NAND企業收入損失約100億至180億美元,這幾乎是直接影響的175倍。如果C4F6部分供應的中斷不可逆,那麼NAND的生產水平可能會被限制2-3年,直到替代地點可以引入新的產能,為大規模生產做好準備。

地緣政治緊張關係,可能損害對供應商或客戶的准入

雖然晶片的短缺並沒有使該行業的製造面臨立刻暫停的風險,但領先的全球供應商的集中,以及以公司總部位置作為技術實際開發地點的計算方式,也給半導體供應帶來巨大的風險(見上文表19)。從目前看來,這是半導體行業的既定事實:

  • 在半導體制造裝置方面,美國公司在5個主要製造工藝裝置類別(沉積工具、幹/溼蝕刻和清洗、摻雜裝置、製程控制和測試)中佔有50%以上的全球市場份額)。同樣,日本擁有90%以上的光刻膠市場份額,這是光刻工藝的關鍵裝置。此外,荷蘭公司ASML擁有7nm以下晶片生產必須的EUV光刻機100%的全球市場份額。

  • 總部設在美國的公司在先進的邏輯產品(如CPU、GPU或FPGA)中佔了90%以上的份額,這些產品為PC、資料中心  伺服器、AI分析和汽車ADAS系統提供動力。儘管這些產品是主要是在亞洲的晶圓代工廠生產的。

  • 同樣,三家總部位於美國的公司(其中一家現在擁有一家位於歐洲母公司)在設計半導體所必需的EDA軟體工具中擁有85%的全球份額。

  • 在核心IP層,總部設在英國的Arm公司給幾乎每一部手機上執行的SoC提供了授權,他們也在嵌入式計算系統的架構和處理器核心等市場發力。

在正常的市場條件下,這可能不會立即出現供應問題。然而在某些情況,他們也可能受到貿易或地緣政治衝突情景的干擾,這些情況限制了潛在客戶使用來自某些國家的供應商或技術。

總體而言,地緣政治緊張局勢在過去10年中一直在全球範圍內上升:衡量全球地緣政治風險的指數已回到1990-1991年海灣戰爭的水平。關鍵的半導體貿易地緣政治局勢將會中美之間持續發酵,並持續緊張。為此我們可以說,行業供應鏈面臨著越來越大的風險。

(1)日韓關係緊張

因為兩者的歷史原因,日本於2019年7月對韓國的半導體出口施加了限制。

在可能受到日本出口管制的1,000多種產品中,韓國特別關注半導體制造的三種關鍵化學品:氟化氫(日本供應商佔全球供應的70%)、氟化聚醯亞胺和光刻膠(日本供應商壟斷了這兩者90%以上的全球供應)。雖然韓國從日本進口這三種產品的價值相對較小,每年僅為4億美元,但韓國每年出口800億美元依賴這些化學品生產的半導體,這帶來的收入損失放大了250倍

考慮到韓國在全球半導體供應鏈中的卓越地位,是世界上第二大半導體制造商,並在全球記憶體市場佔有44%的份額,這就讓他們在這場衝突中帶來的影響超出了半導體行業,並破壞了整個全球電子供應鏈的下游。

雖然在2020年期間,雙方的緊張局勢似乎有所緩和,而且日本一直在批准這三種化學品的出口許可證申請,但情況仍然相當敏感。只要潛在的雙邊問題仍未解決,全球半導體供應鏈的風險就會繼續存在。

(2)美中摩擦

美國和中國持續存在的緊張關係給雙方的半導體合作帶來了很大的不確定性。自2018年以來,這一緊張關係已經顯著升級。雖然半導體在很大程度上被排除在兩國對從另一方進口的一系列產品徵收的關稅之外,但在2019年和2020年,美國政府對華為和其他中國實體實施了一系列出口管制,限制他們獲得含有美國技術的半導體。按照他們的說法,這些半導體違反了美國的國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蓋整個半導體供應鏈,當中包括EDA和包含美國開發的技術的製造裝置。鑑於美國公司目前是EDA和關鍵裝置的唯一可行供應商(見表17),這些控制措施嚴重地影響了中國實體採購美國的半導體產品,甚至影響了他們從非美國供應商那裡採購半導體。

在這些規則的壓迫下,中國正在開發和尋求替代方案, 雖然這可能需要一些時間,但減少對美國半導體供應商的依賴和供應鏈本土化的想法正在中國成為現實。

正如上一節所述,中國消費了全球半導體的24%(表3中的“標準C”),這使得它成為世界上第二大市場,幾乎與美國持平。因為他們是世界上最大的電子裝置製造中心,因此中國也成為成品晶片出口的首選目的地。此外,中國正在積極投資半導體制造業:在2020年,中國製造的晶片佔了全球總產量的15%。根據預測,他們將在未來十年將產能提升至40%。

這些雙邊緊張局勢的持續可能會對美國和依賴美國技術的半導體企業和行業產生深遠的負面影響,他們可能會被阻止向一些重要的中國客戶銷售,如果他們沒法向任何中國公司銷售,這個帶來的影響更是不敢想象的。

衝突的持續還可能引發中國的反擊,這可能會直接或間接影響全球半導體供應鏈。眾所周知,中國在稀土材料方面擁有很高的份額,雖然這些材料只佔總生產成本的一小部分,但它們是半導體的重要組成部分。這是全球脆弱的半導體供應鏈中經常被忽視的一環。

根據我們的分析,在17種關鍵原材料的提取中,中國領先於其中的9種,同時在14種材料的提煉方面處於領先位置。隨著稀土在商品市場上的交易,整個供應鏈都會感受到對中國出口的限制,並可能擾亂全球電子裝置的生產,從而抑制對半導體的需求。

最後,美中摩擦也助長了雙方發展自給自足半導體的願望。對中國來說,這主要是對其長期努力的放大和加速,並獲得了進一步的緊迫性。就美國而言,與中國不斷升級的戰略競爭暴露了他們因為半導體制造高度集中帶來風險,這也在當地引發了一些關於半導體制造自給自足的的公開辯論。

在如歐洲、日本和韓國等世界其他地區,,因為看到美中衝突給半導體帶來的影響,加上最近廣泛存在的半導體短缺給汽車工業帶來的影響,多種事實驅使他們增強對半導體的關注。此外,他們自己的公司在半導體行業的某些領域具有全球領先地位,但他們發現自己因為使用了美國技術,而被限制出售,這進一步加速了他們的轉變。

解決這些風險:完全自給自足不是答案

半導體對經濟增長和國家安全都具有戰略重要性。半導體供應鏈已成為一個關鍵領域,為其必須加強其業務彈性和連續性,這也必將成為21世紀地緣政治競爭的熱門領域。

考慮到上述的兩種風險,世界各國政府都希望採取行動,實現半導體的“自給自足”或技術“獨立”或“可控”的概念正在作為潛在的可取的國家政策目標被廣泛討論,這些討論通常側重於半導體制造。但是,如果大多數國家或區域要重新建立本土或近本土的晶片製造能力,以減少上述風險,並保護其國家利益,瞭解這些建設需要多少投資是有幫助的。

我們來分析看一下兩種情況: 一種是每個區域追求完全的半導體自給自足, 而不是更靈活、更有針對性的投資,旨在填補戰略高風險缺口,以提高全球供應鏈的復原力。為了說明這種情況,我們在表20提出了一個假設的極端情況,那就是世界上每個主要地區都希望在供應鏈的所有層面上嚴格建立半導體“自給 自足。這將意味著國內企業在EDA和IP核,晶片設計,原材料,製造裝置,晶圓製造,以及組裝,封裝和測試方面都有足夠的能力,滿足100%的國內半導體消費需求。

我們暫時不考慮這些計劃執行的可行性,單討論一下這種情況的投入。據我們預測,為了實現這種極端的可控,我們將需要9000億到12250億美元的驚人前期投資。這個數字相當於2019年半導體供應鏈的研發投入和資本支出總額的6倍左右。此外,我們假設整個供應鏈的半導體公司可以保持目前的成本結構,我們估計該行業增加的經常性年度業務費將達到450億至1,250億美元(表20)。

其中,製造能力的投入預計站前期投資的大部分。總的來說,在這種極端情況下必須建立的新能力相當於現有全球總產能的40%。這表明,如果要實施這種措施,該行業將面臨大規模的全球產能過剩的局面。根據我們估計,這個資本支出將高達8000多億美元。此外,我們還需要在每個區域建設能滿足其當地半導體生產所需的原材料生產、晶圓製造和組裝、封裝和測試能力,這後續的投資也是驚人的。

此外,我們必須要說明的是,晶圓廠是非常複雜的,通常需要2-4年才能建造完成並投入商業生產,同時我們還需要3000至6000名工作人員操作,當中的大多是需要招聘和培訓的。

除了這種對新產能的前期投資外,每個國家或地區都將承擔運營工廠的成本。從長期來看,我們假設該行業能夠最終重新建立供需平衡,避免全球產能過剩。但即使如此,全球晶片製造的運營成本總額也將大大超過目前全球供應鏈結構的水平。

表21按地理區域劃分,展示了當地如果想實現半導體自給自足需要用的預估費用。儘管美國目前在供應鏈的幾個層面上處於領先地位,但它仍需要進行3,500-4200億美元的前期投資,這主要集中在製造能力方面。即使考慮到其較低的要素成本,在這種假設狀態下,中國也需要1750億到2500億美元的前期投資和100-300億的額外年運營成本。

綜上所述,如果想在每個主要地區建立一系列完整的半導體國內供應,需要投入9000到12250億美元的前期投資和450億到1250億美元的增量年運營成本(不包括新的前期投資的折舊),這隻會抵消該行業的利潤。根據統計,2019年,整個半導體供應鏈的利潤僅有1,260億美元。因此,至少一部分增量成本必須以更高的形式轉嫁給裝置製造商,因為他們在製造裝置的時候,也需要購買半導體。

如果向客戶收取全部費用,這就相當於半導體價格平均上漲35%到65%,這可能導致終端電子裝置的價格上漲。此外,受外國競爭保護,被剝奪全球化、孤立的國內產業也可能喪失效率和創新能力。

最終,它將扭轉過去幾十年來裝置越來越強大,但成本卻越來越低的趨勢。

總之,完全可控或完全半導體自給自足似乎更多的是一個理論概念,而不是一個可實現的政策目標。但即使如此,各國一人可以重申其在全球半導體供應鏈中的地位,確保它們以研究和智慧財產權促進技術發展。這確保了相互依賴,併為每個國家提供了一個強大的地位。

另一種方案:以市場驅動的方法,側重於關鍵戰略風險‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

有重要經濟和國家安全問題的國家可以採取突出重點的辦法,在國內建立一些先進的半導體制造能力,以滿足它們在關鍵應用領域最敏感的需要。

在我們這裡上次報告中,我們發現美國在半導體制造能力中的份額從1990年的37%下降了到2020年達到12%。如果這種趨勢繼續下去,屆時只有6%的產能位於美國。相比之下,中國預計在未來十年將增加約40%的新產能,並一躍成為全球最大的半導體制造基地。

正如前面所討論的,這一趨勢背後的關鍵因素是經濟學。在美國運營一家工廠10年所需支出的成本比亞洲高出約25%到50%,其中40-70%的差異直接歸因於政府的激勵(見表16)。根據我們先前的分析,200億到500億美元的聯邦政府計劃,能為未來十年建立新的最先進的工廠提供額外的贈款和稅收獎勵,這將有效地扭轉這一下降趨勢。

我們估計,一個500億美元的激勵計劃將使美國在未來十年內建造19個工廠,如果不採取行動,這一數字將增加一倍。相反,要實現完全自給自足的目標, 則需要高達4000億美元的政府獎勵。表22描述了這種市場驅動的、有針對性的200億至500 億美元的政府激勵計劃如何使美國能夠保持“最低可行能力”。

如前面的表17所示, 目前世界上所有10納米以下的容量都位於韓國(8%) 和中國臺灣(92%)。鑑於先進邏輯晶片在高效能運算和人工智慧方面的重要性,美國最近將其確定為微電子供應鏈中的一個關鍵。

我們估計,為了滿足國內對關鍵基礎設施應用的先進邏輯晶片的預期需求,美國只需要在2030年前於本土建造2-3個最先進 的FAB,假設新的FAB的每月產能介乎20000和35000個矽片之間。這種產能的增加與市場需求很好地吻合。

人才的約束

獲得高技能人才對半導體等研發密集型產業也至關重要。與上述其他兩種風險不同的是,人才短缺可能不會對行業日常運營造成大規模破壞的直接威脅。但即使如此,它還是可能會拖慢其在今後幾年裡的創新步伐。

人才已經成為半導體行業的的一大關注點。2017年的一份對整個供應鏈的半導體高管的調查顯示,大約80%公司面臨著技術角色候選人的嚴重短缺。在2018年的另一項調查中,64%的受訪者將人才列為威脅其成長能力的前3大風險之一。

薪酬統計資料還指出了人才供給的制約因素:美國半導體行業的工資一直在增長。資料顯示,自2001年以來,美國半導體業工資的平均曾旭為4.4%,明顯快於整個經濟的工資增長幅度。

考慮到許多半導體公司的研發投資佔收入的比例在中期內趨於穩定,產業收入的增長可能是為日益增長的人才需求設定基準的一個很好的替代因素。根據預估,全球半導體行業的銷量在未來十年將以4%-5%的平均年增長率增長。在這種增長的基礎上,這個行業也面臨著勞動力老齡化的挑戰,因為目前大量擔任技術職位的僱員都有可能在10年後退休。此外,該行業也需要吸引具有不同技能集的人才,特別是在軟體開發和人工智慧方面的。

從下圖可以看到,科學和工程的畢業生似乎不足以滿足該行業的需求。

總結

半導體體供應鏈的全球化性質在每一個環節為每一家公司提供了進入市場的機會,它還使不同的國家或地區擁有不同的專業化優勢。例如美國在晶片設計和製造裝置等價值鏈中研發密集程度最高的領域處於領先地位,亞洲國家和地區則在製造環節處於領先地位。

在這個全球供應鏈中,企業在與半導體相關的商品和服務上進行跨境合作和貿易,這些國家和地區都是相互依存的。

展望未來十年,該行業將需要在整個價值鏈中投入約合三萬億美元的研發和資本支出,以滿足全球對半導體快速增長需的求。半導體公司每年需要在研發方面持續投資900億美元開發日益複雜的晶片,為AI、物聯網或自動駕駛車輛等變革性應用提供動,這相當全球半導體銷售總額的20%。

在製造方面,隨著2020年末全球半導體短缺的凸顯,未來幾年需要在全球建立大量的新產能。根據越策,到2030年,該行業的產能將幾乎翻一番,以趕上預期的4%至5%的半導體需求年均增長。

同時,行業必須在材料、架構和製造技術方面進行創新,才能在未來幾年保持過去幾十年的效能和成本增長率。這需要大量投資於基礎研究。

一個強大的全球供應鏈,繼續把世界級的公司聚集在一起,在材料、設計和製造方面實現跨界合作,這至關重要。但與此同時,我們也必須解決供應鏈某些關鍵部分的高度集中的問題,這可以避開環境和地緣政治的影響。

不過我們必須強調一下,解決這些挑戰的辦法不是通過大規模的國家工業政策來實現全面的自給自足,因為這些政策的成本驚人,切執行的可行性令人懷疑。相反,我們認為,適當調整政策會更有意義。

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