編者按

早前，SIA和BCG推出了一份報(bào)告，詳細(xì)探討了美國(guó)實(shí)施半導(dǎo)體自主可控的可行性。我們摘譯如下，以饗讀者。根據(jù)這個(gè)報(bào)告，美國(guó)如果想要實(shí)現(xiàn)全半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的自主可控，需要投入驚人的9000億到12250億美元。報(bào)告進(jìn)一步指出，自主可控并不能解決當(dāng)前的半導(dǎo)體問(wèn)題，唯有合作共贏，才是出路。

以下為文章譯文

始于2020年末的半導(dǎo)體短缺短缺現(xiàn)狀，突顯出這些專(zhuān)用組件在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)中是多么不可或缺。半導(dǎo)體被用來(lái)為一系列電子設(shè)備提供動(dòng)力，從智能手機(jī)、云服務(wù)器到現(xiàn)代汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和國(guó)防系統(tǒng)，應(yīng)有盡有。 半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的全球結(jié)構(gòu)是在過(guò)去三十年中發(fā)展起來(lái)的，它使半導(dǎo)體行業(yè)在成本節(jié)約和性能提升方面實(shí)現(xiàn)了持續(xù)的飛躍，最終使信息技術(shù)和數(shù)字服務(wù)的爆炸式發(fā)展成為可能。然而，在過(guò)去幾年中出現(xiàn)了幾個(gè)新因素，可能危及這一全球模式的成功延續(xù)。解決這些脆弱性需要決策者精心設(shè)計(jì)的行動(dòng)組合，包括有針對(duì)性的激勵(lì)措施，以鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，以解決戰(zhàn)略缺口。

一體化的全球供應(yīng)鏈

半導(dǎo)體是設(shè)計(jì)和制造過(guò)程都非常復(fù)雜的產(chǎn)品。沒(méi)有其他任何一個(gè)行業(yè)能在研發(fā)(占電子設(shè)備制造商年半導(dǎo)體銷(xiāo)售額的22%)和資本支出(26%)兩方面都有如此高的投資水平。 對(duì)深厚的技術(shù)訣竅和規(guī)模的需求導(dǎo)致了高度專(zhuān)業(yè)化的全球供應(yīng)鏈，各區(qū)域根據(jù)其相對(duì)優(yōu)勢(shì)在供應(yīng)鏈中發(fā)揮不同的作用。（見(jiàn)圖表1）美國(guó)擁有世界一流的大學(xué)，在研發(fā)密集型活動(dòng)中處于領(lǐng)先地位，包括電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）、核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）、芯片設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造設(shè)備，龐大的工程人才庫(kù)和市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。東亞在晶圓制造方面處于前沿，這需要政府激勵(lì)措施支持的大規(guī)模資本投資，以及強(qiáng)大的基礎(chǔ)設(shè)施和熟練的勞動(dòng)力。中國(guó)在組裝、封裝和測(cè)試領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，而這些領(lǐng)域的技術(shù)和資本密集度相對(duì)較低，中國(guó)正積極投資，以在整個(gè)價(jià)值鏈中擴(kuò)張。 在這個(gè)一體化的全球供應(yīng)鏈中，所有國(guó)家和地區(qū)都是相互依存的，依靠自由貿(mào)易將世界各地的材料、設(shè)備、知識(shí)產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到執(zhí)行每項(xiàng)活動(dòng)的最佳地點(diǎn)。事實(shí)上，半導(dǎo)體是世界上交易量第四大的產(chǎn)品，僅次于原油、成品油和汽車(chē)。 這一全球結(jié)構(gòu)帶來(lái)了巨大的價(jià)值。一個(gè)假設(shè)的替代方案，即在每個(gè)地區(qū)建立平行的、完全“自給自足”的本地供應(yīng)鏈，以滿(mǎn)足其當(dāng)前的半導(dǎo)體消費(fèi)水平，這至少需要1萬(wàn)億美元的前期增量投資，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體價(jià)格總體上漲35%至65%最終提高了終端用戶(hù)的電子設(shè)備成本。 而基于地域分工的全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈為行業(yè)帶來(lái)了巨大的價(jià)值。

風(fēng)險(xiǎn)和漏洞

未來(lái)十年，半導(dǎo)體行業(yè)將需要在全球價(jià)值鏈的研發(fā)和資本支出上投資約3萬(wàn)億美元，以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的半導(dǎo)體需求。行業(yè)參與者和政府必須合作，繼續(xù)促進(jìn)全球市場(chǎng)、技術(shù)、資本和人才的進(jìn)入，并使供應(yīng)鏈更具彈性。 雖然地理專(zhuān)業(yè)化為該行業(yè)提供了良好的服務(wù)，但它也產(chǎn)生了弱點(diǎn)，每個(gè)地區(qū)都需要根據(jù)自身的經(jīng)濟(jì)和安全考慮以特定的方式評(píng)估這些弱點(diǎn)。整個(gè)供應(yīng)鏈上有超過(guò)50個(gè)點(diǎn)，其中一個(gè)地區(qū)占全球市場(chǎng)份額的65%以上，盡管每個(gè)地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)水平各不相同。談到全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的彈性，制造業(yè)成為一個(gè)主要焦點(diǎn)。大約75%的半導(dǎo)體生產(chǎn)能力以及許多關(guān)鍵材料(如硅片、光刻膠和其他特殊化學(xué)品)的供應(yīng)商都集中在中國(guó)和東亞地區(qū)，此外，世界上所有最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造能力(節(jié)點(diǎn)在10納米以下)目前都在韓國(guó)(8%)和中國(guó)臺(tái)灣(92%)。這些地方可能會(huì)被自然災(zāi)害、基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)閉或國(guó)際沖突所破壞，并可能導(dǎo)致芯片供應(yīng)的嚴(yán)重中斷。 除了集中在某些地理位置所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)外，地緣政治緊張局勢(shì)還可能導(dǎo)致出口控制，影響到集中在某些國(guó)家的關(guān)鍵技術(shù)、工具和產(chǎn)品供應(yīng)商的使用。此類(lèi)控制還可能限制重要終端市場(chǎng)的進(jìn)入，可能導(dǎo)致規(guī)模大幅下降，損害該行業(yè)維持目前研發(fā)和資本密集度水平的能力。 解決這些挑戰(zhàn)的辦法不是通過(guò)大規(guī)模的國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策來(lái)追求完全自給自足，這種政策的成本驚人，執(zhí)行的可行性也值得懷疑。相反，半導(dǎo)體行業(yè)需要有針對(duì)性的政策，加強(qiáng)供應(yīng)鏈彈性，擴(kuò)大開(kāi)放貿(mào)易，同時(shí)平衡國(guó)家安全需求。 為了應(yīng)對(duì)全球供應(yīng)中斷的風(fēng)險(xiǎn)，各國(guó)政府應(yīng)制定市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的激勵(lì)計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)更多樣化的供應(yīng)，這應(yīng)該包括在美國(guó)建立額外的制造能力，以及擴(kuò)大一些關(guān)鍵材料的生產(chǎn)地點(diǎn)和供應(yīng)來(lái)源。在我們之前的報(bào)告“政府激勵(lì)和美國(guó)半導(dǎo)體制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力”中，我們發(fā)現(xiàn)500億美元的激勵(lì)計(jì)劃將使美國(guó)成為一個(gè)有吸引力的半導(dǎo)體制造業(yè)地點(diǎn)。我們的分析表明，如果不采取任何行動(dòng)，這樣一個(gè)計(jì)劃可以在未來(lái)10年內(nèi)建成19個(gè)先進(jìn)的邏輯、內(nèi)存和模擬半導(dǎo)體代工廠，使預(yù)期數(shù)量翻倍。 這種新的產(chǎn)能將有助于解決供應(yīng)鏈中的重大漏洞。例如，它將使美國(guó)在領(lǐng)先節(jié)點(diǎn)維持最低可行的制造能力，以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)對(duì)用于國(guó)家安全系統(tǒng)、航空航天和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的先進(jìn)邏輯芯片的需求。相比之下，我們估計(jì)，要實(shí)現(xiàn)制造業(yè)完全自給自足的目標(biāo)——即試圖用本土產(chǎn)能覆蓋美國(guó)的半導(dǎo)體消費(fèi)總量——需要政府提供逾4000億美元的激勵(lì)，并在10年內(nèi)花費(fèi)逾1萬(wàn)億美元。 在制定政策以促進(jìn)供應(yīng)鏈彈性時(shí)，各國(guó)政府必須保證為國(guó)內(nèi)外企業(yè)提供一個(gè)公平的全球競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，并大力保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。它們還必須采取措施，進(jìn)一步促進(jìn)全球貿(mào)易以及研發(fā)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面的國(guó)際合作。與此同時(shí)，政策制定者需要加大努力，刺激基礎(chǔ)研究，解決可能限制該行業(yè)保持創(chuàng)新步伐的人才短缺問(wèn)題。為此，需要在科學(xué)和工程教育方面進(jìn)一步公共投資，以及使領(lǐng)先的全球半導(dǎo)體集群吸引世界級(jí)人才的移民政策。 此外，有重大國(guó)家安全關(guān)切的政府應(yīng)建立明確和穩(wěn)定的框架，對(duì)半導(dǎo)體貿(mào)易進(jìn)行有針對(duì)性的控制，避免對(duì)技術(shù)和供應(yīng)商進(jìn)行廣泛的單邊限制。 這種經(jīng)過(guò)良好調(diào)整的政策干預(yù)措施將在當(dāng)今全球供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)中保持規(guī)模和專(zhuān)業(yè)化的好處。這將確保該行業(yè)能夠擴(kuò)展其能力，在半導(dǎo)體性能和成本方面實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)，這將使AI、5G、物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)等變革性技術(shù)的承諾在本十年成為現(xiàn)實(shí)。

介紹

今天的移動(dòng)電話(huà)商可能不會(huì)花太多心思在研究、開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和制造方面的復(fù)雜的跨界合作上，因?yàn)檫@些合作來(lái)自數(shù)百家公司，這使他們能夠通過(guò)高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)他們喜歡的內(nèi)容。然而，消費(fèi)者從整個(gè)深度和復(fù)雜的電子行業(yè)的全球協(xié)調(diào)中受益，其形式是加速創(chuàng)新周期，以更低的價(jià)格提供新技術(shù)功能。半導(dǎo)體供應(yīng)鏈?zhǔn)侨蛞惑w化數(shù)字經(jīng)濟(jì)的支柱。 在過(guò)去的三十年里，半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)影響。從1990年到2020年，半導(dǎo)體市場(chǎng)以7.5%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，超過(guò)了同期全球GDP 5%的增長(zhǎng)速度。半導(dǎo)體行業(yè)在性能和成本方面的改進(jìn)，使得上世紀(jì)90年代從大型機(jī)到個(gè)人電腦的發(fā)展成為可能，21世紀(jì)初支撐網(wǎng)絡(luò)和在線服務(wù)的客戶(hù)機(jī)-服務(wù)器架構(gòu)，以及到21世紀(jì)10年代智能手機(jī)成為人人囊中之物的時(shí)代成為可能。 這些創(chuàng)新創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng):據(jù)估計(jì)，從1995年到2015年，全球GDP中新增的3萬(wàn)億美元與半導(dǎo)體創(chuàng)新直接相關(guān)，并產(chǎn)生了11萬(wàn)億美元的間接影響。展望未來(lái)，半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步進(jìn)步將是推動(dòng)新一波變革技術(shù)的關(guān)鍵，包括人工智能(AI)、5G、自動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)或大量智能連接設(shè)備大規(guī)模部署的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)解決方案。 這種經(jīng)濟(jì)影響是由于半導(dǎo)體技術(shù)不斷加速改進(jìn)而產(chǎn)生的。自1958年集成電路發(fā)明以來(lái)，邏輯芯片的每個(gè)晶圓上的晶體管數(shù)量增加了大約1000萬(wàn)個(gè)，從而使處理器速度提高了10萬(wàn)倍，與之相比，成本每年減少45%以上。隨著先進(jìn)的封裝和材料技術(shù)等工程創(chuàng)新的出現(xiàn)，這使得電子設(shè)備制造商能夠以越來(lái)越小的形式制造出計(jì)算能力指數(shù)更高的設(shè)備。舉例來(lái)說(shuō)，今天的智能手機(jī)擁有比1969年美國(guó)宇航局(NASA)將阿波羅11號(hào)(Apollo 11)送上月球時(shí)使用的大型計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)能力。如今的智能手機(jī)在2010年的存儲(chǔ)容量也超過(guò)了數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。在連續(xù)幾代蜂窩技術(shù)的推動(dòng)下，模擬半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步也使無(wú)線通信的質(zhì)量和速度有了極大的提高，從而導(dǎo)致了最近推出的5G。

半導(dǎo)體供應(yīng)鏈?zhǔn)菙?shù)字經(jīng)濟(jì)的支柱

半導(dǎo)體是用非常先進(jìn)的制造工藝制造的非常復(fù)雜的產(chǎn)品。改進(jìn)往往需要在硬科學(xué)上取得突破，而這些突破需要很多年才能實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體行業(yè)的快速創(chuàng)新是巨大投資、復(fù)雜的全球價(jià)值鏈和分布在世界各地的高度專(zhuān)業(yè)化的公司和機(jī)構(gòu)整合的研究基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)果。 整個(gè)供應(yīng)鏈的專(zhuān)業(yè)化使得創(chuàng)新所需的深度關(guān)注成為可能，常常會(huì)推動(dòng)科學(xué)的邊界。半導(dǎo)體產(chǎn)品種類(lèi)超過(guò)30種，每一種都針對(duì)電子子系統(tǒng)的特定功能進(jìn)行了優(yōu)化。開(kāi)發(fā)現(xiàn)代芯片需要在硬件和軟件方面的深厚技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)，并依賴(lài)于先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具和專(zhuān)業(yè)公司提供的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)。然后，制造通常需要多達(dá)300種不同的輸入，包括原材料晶圓、商品化學(xué)品、特殊化學(xué)品和散裝氣體。這些輸入由50多個(gè)級(jí)別的高度工程精密設(shè)備處理。大多數(shù)這種設(shè)備，如光刻和計(jì)量工具，包含了數(shù)百個(gè)技術(shù)子系統(tǒng)，如模塊、激光、機(jī)電一體化、控制芯片和光學(xué)。參與半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造的高度專(zhuān)業(yè)化的供應(yīng)商通常位于不同的國(guó)家。然后芯片在全球之旅中曲折地穿越世界。 本報(bào)告旨在提供對(duì)復(fù)雜的全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的理解，它如何支持行業(yè)的持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新，以及它如何最終通過(guò)更好的技術(shù)以更低的價(jià)格使我們的經(jīng)濟(jì)受益。我們還確定了一些可能影響行業(yè)繼續(xù)提供指數(shù)級(jí)性能和成本改進(jìn)的能力的風(fēng)險(xiǎn)，并討論了解決這些風(fēng)險(xiǎn)的方法。

半導(dǎo)體供應(yīng)鏈概述

了解半導(dǎo)體：它們是什么以及它們的用途

半導(dǎo)體是高度專(zhuān)業(yè)化的組件，為電子設(shè)備提供處理，存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)的基本功能。當(dāng)今的大多數(shù)半導(dǎo)體都是集成電路，也稱(chēng)為“芯片”。芯片是一組微型電子電路，由有源分立器件（晶體管，二極管），無(wú)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(dǎo)體材料（通常為硅）的薄晶圓上。現(xiàn)代芯片很小，僅在幾平方毫米的面積內(nèi)就封裝了數(shù)十億個(gè)電子組件。雖然行業(yè)分類(lèi)法通常描述了30多種產(chǎn)品類(lèi)別，但半導(dǎo)體可以分為三大類(lèi)： 1.邏輯（占行業(yè)收入的42%） 這些是在二進(jìn)制代碼（0和1）上起作用的集成電路，它們是計(jì)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(yīng)用處理器（AP）等邏輯產(chǎn)品，它們處理存儲(chǔ)在內(nèi)存設(shè)備上的固定指令以執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算操作。應(yīng)用程序包括移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人電腦、服務(wù)器、人工智能系統(tǒng)和超級(jí)計(jì)算機(jī)的處理器。 通用邏輯產(chǎn)品，如現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）不包含任何預(yù)先固定的指令，允許用戶(hù)編程自定義邏輯操作。 微控制器（MCU）是單芯片上的小型計(jì)算機(jī)。微控制器包含一個(gè)或多個(gè)處理器核心以及存儲(chǔ)器和可編程輸入/輸出外圍設(shè)備。MCU在汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備或家用電器等無(wú)數(shù)電子產(chǎn)品中執(zhí)行基本的計(jì)算任務(wù)。 連接產(chǎn)品，如蜂窩調(diào)制解調(diào)器、WiFi或藍(lán)牙芯片或以太網(wǎng)控制器，允許電子設(shè)備連接到無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)以傳輸或接收數(shù)據(jù)。 2、存儲(chǔ)（占行業(yè)收入的26%） 這些半導(dǎo)體用于存儲(chǔ)執(zhí)行任何計(jì)算所需的信息。計(jì)算機(jī)處理存儲(chǔ)在內(nèi)存中的信息，內(nèi)存由各種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或存儲(chǔ)設(shè)備組成。目前最常用的兩種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）和NAND存儲(chǔ)器： DRAM用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)處理器運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)或程序代碼。它通常存在于個(gè)人電腦（PC）和服務(wù)器中。智能手機(jī)也在不斷增加所需的DRAM內(nèi)容，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等汽車(chē)電子應(yīng)用對(duì)DRAM的需求也在不斷增加。 NAND是最常見(jiàn)的閃存類(lèi)型。與DRAM不同的是，它不需要電源來(lái)保留數(shù)據(jù)，所以它被用于永久存儲(chǔ)。典型應(yīng)用包括用作筆記本電腦硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（SSD）或用于便攜式設(shè)備的安全數(shù)字（SD）卡。 3、分立，模擬和其他（DAO）（占行業(yè)收入的32％） 這些是半導(dǎo)體，用于傳輸，接收和轉(zhuǎn)換涉及連續(xù)參數(shù)（例如溫度和電壓）的信息： 分立產(chǎn)品包括設(shè)計(jì)用于執(zhí)行單個(gè)電氣功能的二極管和晶體管。 模擬產(chǎn)品包括電壓調(diào)節(jié)器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，可將來(lái)自語(yǔ)音等源的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這一類(lèi)還包括任何類(lèi)型的電子設(shè)備中的電源管理集成電路，以及使智能手機(jī)能夠接收和處理來(lái)自蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站的無(wú)線電信號(hào)的射頻（RF）半導(dǎo)體。 其他產(chǎn)品還包括光電產(chǎn)品，例如用于感知相機(jī)中光線的光學(xué)傳感器，以及各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中可以找到的各種非光學(xué)傳感器和執(zhí)行器。 半導(dǎo)體被用于跨越經(jīng)濟(jì)主要領(lǐng)域的多種應(yīng)用的所有類(lèi)型的電子設(shè)備中（圖2）。這些應(yīng)用市場(chǎng)中的每一個(gè)都需要上述三種主要類(lèi)別的半導(dǎo)體。例如，移動(dòng)電話(huà)的DAO內(nèi)容（對(duì)于諸如蜂窩連接性，攝像頭和功耗管理等功能必不可少）實(shí)際上與邏輯內(nèi)容（包括微處理器）一樣多。在新一代手機(jī)中提供更高的計(jì)算能力）和內(nèi)存（用于在設(shè)備上存儲(chǔ)數(shù)字內(nèi)容）。全球半導(dǎo)體收入的大約65％來(lái)自用于多個(gè)應(yīng)用程序的通用組件。 在當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)中，所有類(lèi)型的半導(dǎo)體都是必不可少的，可為各種電子設(shè)備供電。

對(duì)半導(dǎo)體的需求高度全球化。來(lái)自每個(gè)區(qū)域的全球半導(dǎo)體需求份額不同，具體取決于需求起點(diǎn)的定義。盡管半導(dǎo)體通常由電子設(shè)備制造商采購(gòu)以制造其產(chǎn)品，但最終半導(dǎo)體需求是由購(gòu)買(mǎi)這些設(shè)備的最終用戶(hù)驅(qū)動(dòng)的。這就是為什么從地理角度出發(fā)，參考全球電子供應(yīng)鏈中的替代要點(diǎn)，可以采用三種不同的方法來(lái)衡量半導(dǎo)體需求的來(lái)源： A.電子設(shè)備制造商總部的位置。這些公司是芯片公司的客戶(hù)，他們購(gòu)買(mǎi)用于其設(shè)備的半導(dǎo)體。電子設(shè)備制造商通常被稱(chēng)為原始設(shè)備制造商（OEM），通常設(shè)計(jì)其產(chǎn)品并決定從哪個(gè)供應(yīng)商使用哪些組件。例如，采用這種方法，即使產(chǎn)品可能在另一個(gè)國(guó)家實(shí)際制造，進(jìn)入美國(guó)總部設(shè)在美國(guó)的公司開(kāi)發(fā)的智能手機(jī)中的半導(dǎo)體也將根據(jù)美國(guó)的需求進(jìn)行計(jì)算。 B.設(shè)備制造/組裝地點(diǎn)：原始設(shè)備制造商通常不在其總部所在國(guó)或設(shè)計(jì)設(shè)備的工程團(tuán)隊(duì)所在國(guó)制造設(shè)備。相反，這些設(shè)備通常由位于不同國(guó)家或許多不同國(guó)家的制造廠組裝，通常由稱(chēng)為原始設(shè)備制造商（ODM）或電子制造服務(wù)（EMS）的其他公司組裝。這是成品半導(dǎo)體需要實(shí)際運(yùn)送到的地點(diǎn)。例如，采用這種方法，一家美國(guó)公司設(shè)計(jì)的智能手機(jī)中的芯片，實(shí)際上是一家臺(tái)灣承包商在中國(guó)大陸的工廠制造的，將被計(jì)算為中國(guó)的需求。 C.購(gòu)買(mǎi)電子設(shè)備的最終用戶(hù)的位置。考慮到半導(dǎo)體是元件，半導(dǎo)體需求最終是由向最終用戶(hù)（包括消費(fèi)者和企業(yè)）銷(xiāo)售電子設(shè)備驅(qū)動(dòng)的。在我們的例子中，由一家美國(guó)公司設(shè)計(jì)但在中國(guó)組裝的智能手機(jī)所含芯片的價(jià)值將分布在全球所有這些智能手機(jī)銷(xiāo)售給消費(fèi)者的國(guó)家。 圖表3顯示了全球半導(dǎo)體需求的地理分布，使用了這三種不同的視角：不同國(guó)家或地區(qū)的份額因標(biāo)準(zhǔn)不同而有很大差異。但這三種可能的方法都不被認(rèn)為是“正確”的答案——它們只是反映了國(guó)家/地區(qū)在更廣泛的電子行業(yè)中扮演的不同角色。

考慮到電子設(shè)備制造商的位置（圖中的標(biāo)準(zhǔn)A），美國(guó)仍然驅(qū)動(dòng)著全球半導(dǎo)體總需求的33％，在所有地區(qū)的參與率最高。 2019年，美國(guó)公司在大型個(gè)人電腦和信息通信基礎(chǔ)設(shè)施（包括數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）應(yīng)用市場(chǎng)的市場(chǎng)份額合計(jì)約為45%，在智能手機(jī)和工業(yè)設(shè)備市場(chǎng)的市場(chǎng)份額為30%。在過(guò)去10年里，中國(guó)的參與度增加了兩倍，現(xiàn)在已經(jīng)成為第二個(gè)明顯的地區(qū)。中國(guó)作為半導(dǎo)體需求的一個(gè)巨大來(lái)源地的崛起，是由中國(guó)本土企業(yè)在智能手機(jī)、個(gè)人電腦和消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域的實(shí)力推動(dòng)的：華為、聯(lián)想、小米和Oppo/Vivo等公司不僅在中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷(xiāo)售產(chǎn)品，而且是其他市場(chǎng)的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。 根據(jù)終端電子設(shè)備制造/裝配位置標(biāo)準(zhǔn)（圖中的B），中國(guó)是排名第一的地區(qū)，反映了中國(guó)在電子制造業(yè)，特別是智能手機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品方面的實(shí)力。作為全球主要的制造業(yè)中心，中國(guó)是2019年全球芯片銷(xiāo)售總額的35%左右的目的地。但許多通過(guò)這一中間步驟進(jìn)入中國(guó)的芯片最終并不是作為中國(guó)最終用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)的產(chǎn)品消費(fèi)，而是作為“中國(guó)制造”設(shè)備的零部件再運(yùn)往海外，出口到其他國(guó)家。 聚焦于設(shè)備有效銷(xiāo)售給最終用戶(hù)的地方（圖中的C）顯示了半導(dǎo)體需求最終來(lái)自何處。根據(jù)不同應(yīng)用類(lèi)型的可用市場(chǎng)數(shù)據(jù)，我們估計(jì)中國(guó)消費(fèi)者和企業(yè)購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備中包含的半導(dǎo)體含量?jī)r(jià)值約占2019年全球半導(dǎo)體收入的24%，幾乎與美國(guó)持平（25%），比歐洲高出幾個(gè)百分點(diǎn)(20%). 然而，中國(guó)在全球半導(dǎo)體消費(fèi)中所占的份額預(yù)計(jì)在未來(lái)5年內(nèi)將繼續(xù)增加，因?yàn)榉治鰩燁A(yù)測(cè)，在大多數(shù)電子設(shè)備類(lèi)別中，中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的增長(zhǎng)將超過(guò)世界其他地區(qū)平均4-5個(gè)百分點(diǎn)。

半導(dǎo)體價(jià)值鏈的結(jié)構(gòu)

任何半導(dǎo)體的創(chuàng)造和生產(chǎn)所涉及的產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈都是極其復(fù)雜和全球化的。在高層次上，它由四大步驟組成，由材料、設(shè)備和軟件設(shè)計(jì)工具以及核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商的專(zhuān)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)支持（圖表4）：

如上圖所示，預(yù)研究占整個(gè)行業(yè)研發(fā)的15-20％。 預(yù)研究的目的是確定基礎(chǔ)材料和化學(xué)工藝，以在設(shè)計(jì)架構(gòu)和制造技術(shù)方面進(jìn)行創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力和效率的下一次商業(yè)飛躍。它通常是科學(xué)和工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，其成果通常在科學(xué)界廣泛發(fā)表和分享，區(qū)別于專(zhuān)利研究和工業(yè)開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。競(jìng)爭(zhēng)前基礎(chǔ)研究與行業(yè)研發(fā)在性質(zhì)上是不同的：這兩種類(lèi)型是互補(bǔ)的，而不是多余的。事實(shí)上，人們發(fā)現(xiàn)，競(jìng)爭(zhēng)前研究能夠刺激和吸引行業(yè)研發(fā)。 從一種新的技術(shù)方法在研究論文中被引入到大規(guī)模商業(yè)制造的平均時(shí)間估計(jì)約為10-15年，但這可能比實(shí)現(xiàn)當(dāng)前前沿技術(shù)的科學(xué)突破要長(zhǎng)得多。例如，極端紫外線（EUV）技術(shù)是最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)，從早期的概念演示到在晶圓廠的商業(yè)化實(shí)施，幾乎用了40年時(shí)間。 雖然沒(méi)有半導(dǎo)體行業(yè)的可用數(shù)據(jù)，但在大多數(shù)領(lǐng)先國(guó)家，基礎(chǔ)研究通常占總體研發(fā)投資的15-20%。例如，在美國(guó)，基礎(chǔ)研究一直穩(wěn)定在研發(fā)總量的16-19%。基礎(chǔ)研究由來(lái)自私營(yíng)公司、大學(xué)、政府資助的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和其他獨(dú)立研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家組成的全球網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，這些機(jī)構(gòu)在聯(lián)合研究工作中進(jìn)行合作 特別是，政府在推進(jìn)基礎(chǔ)研究方面發(fā)揮著非常重要的作用。半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）先前對(duì)聯(lián)邦研發(fā)的一項(xiàng)研究確定了8項(xiàng)重大的半導(dǎo)體技術(shù)突破，這些突破來(lái)自政府資助的研究項(xiàng)目。例如，砷化鎵（GaAs）晶體管使智能手機(jī)能夠建立到蜂窩塔的無(wú)線通信鏈路，這是在20世紀(jì)80年代末國(guó)防部的微波和毫米波集成電路（MIMIC）計(jì)劃中發(fā)明的。 對(duì)美國(guó)所有行業(yè)的研發(fā)總投資進(jìn)行分析，可以對(duì)競(jìng)爭(zhēng)前研究的規(guī)模和獨(dú)特特征提供一些見(jiàn)解。根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）收集的數(shù)據(jù)，美國(guó)聯(lián)邦政府是基礎(chǔ)研究的主要貢獻(xiàn)者，2018年的投資占42%。另外30%的資金來(lái)自州政府、大學(xué)和其他非盈利研究機(jī)構(gòu)，其余28%來(lái)自公司。相比之下，私營(yíng)企業(yè)在應(yīng)用研究和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的份額接近80%，而應(yīng)用研究和開(kāi)發(fā)通常是在基礎(chǔ)研究取得突破之后進(jìn)行的 美國(guó)說(shuō)明了政府在基礎(chǔ)研究中的關(guān)鍵作用，盡管對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的貢獻(xiàn)似乎落后。

美國(guó)對(duì)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的資助似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于應(yīng)用研發(fā)的增長(zhǎng)。SIA的研究發(fā)現(xiàn)，2018年，美國(guó)聯(lián)邦政府對(duì)半導(dǎo)體相關(guān)研發(fā)（包括基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研發(fā)）的總體投資僅占美國(guó)半導(dǎo)體研發(fā)總量的13%。這一比例大大低于聯(lián)邦政府資金在美國(guó)所有部門(mén)研發(fā)支出總額中所占的22%。事實(shí)上，在過(guò)去40年中，盡管美國(guó)私人對(duì)半導(dǎo)體研發(fā)的投資占GDP的比例增長(zhǎng)了近10倍，但聯(lián)邦政府的投資卻一直持平。鑒于美國(guó)目前在整個(gè)半導(dǎo)體價(jià)值鏈研發(fā)密集型活動(dòng)中所起的主導(dǎo)作用，基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)缺口的影響可能超出美國(guó)企業(yè)的相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力，并為整個(gè)行業(yè)保持其創(chuàng)新歷史步伐的能力帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。 相反，中國(guó)為建設(shè)強(qiáng)大的國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而投入大量資金進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)前研究。在過(guò)去的20年中，中國(guó)一直在縮小與美國(guó)在整體研發(fā)支出上的差距。根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）的數(shù)據(jù)，按絕對(duì)值計(jì)算，2018年中國(guó)是世界第二大研發(fā)支出國(guó)：按購(gòu)買(mǎi)力平價(jià)計(jì)算，中國(guó)的研發(fā)總投資僅比美國(guó)低5％。但是，目前只有約5-6％的中國(guó)R＆D支出用于基礎(chǔ)研究，遠(yuǎn)低于其他在R＆D方面投入高的國(guó)家。 中國(guó)3月份宣布的新的2021-25年五年計(jì)劃明確將推進(jìn)基礎(chǔ)研究列為一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)先事項(xiàng)。到2021年，中央政府的基礎(chǔ)研究支出將增長(zhǎng)11%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于總體研發(fā)投資計(jì)劃的7%和GDP增長(zhǎng)6%的目標(biāo)。半導(dǎo)體已被指定為七個(gè)在資金和資源方面將優(yōu)先考慮的領(lǐng)域之一。 參與設(shè)計(jì)的公司開(kāi)發(fā)納米級(jí)集成電路，執(zhí)行使電子設(shè)備工作的關(guān)鍵任務(wù)，如計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)連接和電源管理。設(shè)計(jì)依賴(lài)于高度先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件和可重用的體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建塊（“IP核心”），在某些情況下，還外包了專(zhuān)門(mén)技術(shù)供應(yīng)商提供的芯片設(shè)計(jì)服務(wù)。 設(shè)計(jì)活動(dòng)在很大程度上是知識(shí)型和技能型的：它占整個(gè)行業(yè)研發(fā)的65%和附加值的53%。事實(shí)上，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)領(lǐng)域的公司通常會(huì)將其年收入的12%至20%投資于現(xiàn)代復(fù)雜芯片的研發(fā)，例如為當(dāng)今智能手機(jī)提供動(dòng)力的“芯片上系統(tǒng)”（SoC）處理器，需要數(shù)百名工程師組成的龐大團(tuán)隊(duì)數(shù)年的努力，有時(shí)利用外部IP和設(shè)計(jì)支持服務(wù)。隨著芯片變得越來(lái)越復(fù)雜，開(kāi)發(fā)成本迅速上升。為一款旗艦智能手機(jī)設(shè)計(jì)的最新片上系統(tǒng)的總開(kāi)發(fā)成本，包括處理音頻、視頻或提供高速無(wú)線連接所需的專(zhuān)用模塊，可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)10億美元。重復(fù)使用先前設(shè)計(jì)的相當(dāng)一部分的衍生產(chǎn)品，或者可以在成熟節(jié)點(diǎn)上制造的新的更簡(jiǎn)單的芯片，開(kāi)發(fā)成本僅為2000萬(wàn)到2億美元。 高度專(zhuān)業(yè)化的半導(dǎo)體制造設(shè)施，通常被稱(chēng)為“晶圓廠”，將納米級(jí)集成電路從芯片設(shè)計(jì)印刷到硅片上。每個(gè)晶圓包含多個(gè)相同設(shè)計(jì)的芯片。每個(gè)晶圓的實(shí)際芯片數(shù)量取決于特定芯片的大小:它可以是一百個(gè)為計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)提供動(dòng)力的大型復(fù)雜處理器，也可以是數(shù)十萬(wàn)個(gè)用于執(zhí)行簡(jiǎn)單功能的小型芯片。 制造過(guò)程錯(cuò)綜復(fù)雜，需要高度專(zhuān)業(yè)化的投入和設(shè)備才能以微型規(guī)模實(shí)現(xiàn)所需的精度。集成電路在潔凈室中制造，以保持無(wú)菌環(huán)境，防止空氣中的微粒污染，這些微粒會(huì)改變構(gòu)成電子電路的材料的特性。相比之下，在一個(gè)典型的城市地區(qū)，室外空氣中每立方米含有3500萬(wàn)個(gè)直徑為0.5微米或更大的顆粒，而半導(dǎo)體制造的無(wú)塵室中，這種尺寸的顆粒是絕對(duì)不允許的。 根據(jù)具體產(chǎn)品的不同，半導(dǎo)體晶圓的整個(gè)制造過(guò)程有400到1400個(gè)步驟。制造成品半導(dǎo)體晶圓的平均時(shí)間，也就是所謂的周期時(shí)間，約為12周，但如果采用先進(jìn)工藝，則需要14-20周才能完成。它利用了數(shù)百種不同的輸入,包括原始晶片,商品化學(xué)品,專(zhuān)用化學(xué)品以及許多不同類(lèi)型的加工和檢測(cè)設(shè)備和工具,在多個(gè)階段(表6)。這些步驟通常重復(fù)數(shù)百次,取決于所需的電子電路的復(fù)雜性。

制造工藝技術(shù)的進(jìn)步通常用“節(jié)點(diǎn)”來(lái)描述。術(shù)語(yǔ)“節(jié)點(diǎn)”指的是電子電路中晶體管柵極的納米大小，但隨著時(shí)間的推移，它已經(jīng)失去了其最初的含義，并成為一個(gè)涵蓋性術(shù)語(yǔ)，既指較小的特征，也指不同的電路結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)，節(jié)點(diǎn)尺寸越小，芯片的功能就越強(qiáng)大，因?yàn)樵谙嗤叽绲膮^(qū)域可以放置更多的晶體管。這就是“摩爾定律”(Moore’s Law)背后的原理。“摩爾定律”是半導(dǎo)體行業(yè)的一個(gè)重要觀察和投影，即邏輯芯片上的晶體管數(shù)量每18至24個(gè)月就會(huì)翻一番。自1965年以來(lái)，摩爾定律一直在支持處理器性能和成本同時(shí)不斷提高的步伐。如今，智能手機(jī)、電腦、游戲機(jī)和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上的先進(jìn)處理器都是在5到10納米節(jié)點(diǎn)上制造的。使用3納米工藝技術(shù)的商用芯片生產(chǎn)預(yù)計(jì)將于2023年左右開(kāi)始。 雖然邏輯和內(nèi)存芯片用于數(shù)字應(yīng)用程序大大受益于晶體管的大小比例與較小的節(jié)點(diǎn),但其他類(lèi)型的半導(dǎo)體——尤其是上文所述的DAO組中的半導(dǎo)體——通過(guò)遷移到更小的節(jié)點(diǎn)，或者僅僅使用在更小的規(guī)模下無(wú)法工作的不同類(lèi)型的電路或架構(gòu)，并不能達(dá)到同樣程度的性能和成本效益。因此，今天的晶圓制造仍然在廣泛的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，從用于高級(jí)邏輯的5納米的當(dāng)前“領(lǐng)先節(jié)點(diǎn)”到用于離散、光電子、傳感器和模擬半導(dǎo)體的180納米以上的傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。事實(shí)上，目前只有2%的全球產(chǎn)能是在10納米以下的節(jié)點(diǎn)上生產(chǎn)的(表7)。

由于生產(chǎn)半導(dǎo)體所需的規(guī)模和復(fù)雜設(shè)備，前端制造是高度資本密集的。一個(gè)擁有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)能的最先進(jìn)半導(dǎo)體工廠需要大約50億美元(用于先進(jìn)的模擬晶圓廠)到200億美元(用于先進(jìn)的邏輯和內(nèi)存晶圓廠)的資本支出，包括土地、建筑和設(shè)備。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于下一代航空母艦(130億美元)或新核電站(40億至80億美元)的估計(jì)成本。專(zhuān)注于半導(dǎo)體制造的公司的資本支出通常占其年收入的30 - 40%。因此,晶圓占大約65%的總行業(yè)的資本支出和25%的增值。它主要集中在東亞(中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)和日本)和中國(guó)大陸。 這一階段包括將晶圓廠生產(chǎn)的硅片轉(zhuǎn)換成成品芯片，準(zhǔn)備組裝成電子設(shè)備。在此階段參與的公司首先將硅晶片切成單個(gè)芯片。然后將芯片包裝到保護(hù)框架中，并裝入樹(shù)脂外殼中。芯片在運(yùn)往電子設(shè)備制造商之前，會(huì)經(jīng)過(guò)更嚴(yán)格的測(cè)試。 供應(yīng)鏈的后端階段仍然需要對(duì)專(zhuān)用設(shè)施進(jìn)行大量投資。專(zhuān)門(mén)從事組裝，封裝和測(cè)試的公司通常將其年收入的15％以上投資于設(shè)施和設(shè)備。盡管與前端制造階段相比，它的資本密集度相對(duì)較低，并且雇用了更多的勞動(dòng)力，但高級(jí)封裝中的新創(chuàng)新正在改變這種局面。總體而言，這個(gè)行業(yè)占2019年行業(yè)資本支出總額的13％，占該行業(yè)總增加值的6％。它主要集中在臺(tái)灣和中國(guó)大陸，最近還在東南亞興建了新設(shè)施（馬來(lái)西亞，越南和菲律賓）。 在設(shè)計(jì)階段，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)公司提供復(fù)雜的軟件和服務(wù)來(lái)支持半導(dǎo)體設(shè)計(jì)，包括專(zhuān)業(yè)應(yīng)用專(zhuān)用集成電路(asic)的外包設(shè)計(jì)。由于單片芯片包含數(shù)十億個(gè)晶體管，最先進(jìn)的EDA工具是設(shè)計(jì)具有競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)代半導(dǎo)體所不可或缺的。 核心IP供應(yīng)商許可可重用的組件設(shè)計(jì)——通常稱(chēng)為“IP塊”或“IPs”——具有定義好的接口和功能，以便設(shè)計(jì)公司將其整合到芯片布局中。這些還包括與每個(gè)制造過(guò)程節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)物理ip，以及許多接口ip。EDA和核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商在研發(fā)上投入巨資，約占其收入的30 - 40%，2019年約占行業(yè)增加值的4%。 半導(dǎo)體制造在制造過(guò)程的每一步都使用50多種不同類(lèi)型的精密晶圓加工和測(cè)試設(shè)備，這些設(shè)備由專(zhuān)業(yè)供應(yīng)商提供。(圖8)。

光刻工具是制造廠商最大的資本支出之一，它決定了晶圓廠能生產(chǎn)多先進(jìn)的芯片。先進(jìn)的光刻設(shè)備，特別是那些利用極端紫外線(EUV)技術(shù)來(lái)制造7納米及以下的芯片。一臺(tái)EUV設(shè)備的成本為1.5億美元。 計(jì)量和檢測(cè)設(shè)備對(duì)半導(dǎo)體制造過(guò)程的管理也是至關(guān)重要的。因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程涉及到一到兩個(gè)月的數(shù)百個(gè)步驟，如果在過(guò)程的早期出現(xiàn)任何缺陷，所有在隨后耗時(shí)的步驟中進(jìn)行的工作都將被浪費(fèi)掉。因此，在半導(dǎo)體制造過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)建立了嚴(yán)格的計(jì)量和檢測(cè)流程，使用專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，以確保一定的成品率能夠得到確認(rèn)和保持。 現(xiàn)代工廠還擁有先進(jìn)的自動(dòng)化和過(guò)程控制系統(tǒng)，用于直接設(shè)備控制、自動(dòng)化物料運(yùn)輸和實(shí)時(shí)批量調(diào)度，許多最新的設(shè)施幾乎完全自動(dòng)化。 半導(dǎo)體制造設(shè)備也包含許多具有特定功能的子系統(tǒng)和組件，如光學(xué)或真空子系統(tǒng)、氣體和流體管理、熱管理或晶圓處理。這些子系統(tǒng)由數(shù)百家專(zhuān)業(yè)供應(yīng)商提供。 開(kāi)發(fā)和制造這樣先進(jìn)的、高精度的制造設(shè)備也需要大量的研發(fā)投資。半導(dǎo)體制造設(shè)備公司通常將其收入的10 - 15%投資于研發(fā)。2019年，半導(dǎo)體設(shè)備制造商供應(yīng)商占行業(yè)研發(fā)總量的9%，占行業(yè)增加值的11%。 最后，參與半導(dǎo)體制造的公司也依賴(lài)于專(zhuān)業(yè)的材料供應(yīng)商。半導(dǎo)體制造業(yè)使用多達(dá)300種不同的投入，其中許多也需要先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)。例如，用于制造硅錠的多晶硅，隨后被切成晶片，其純度要求是太陽(yáng)能電池板的1000倍，主要由四家公司提供，其全球市場(chǎng)份額加起來(lái)超過(guò)90%。圖9顯示了2019年用于前端和后端制造的關(guān)鍵系列半導(dǎo)體制造材料的全球銷(xiāo)售細(xì)分。

半導(dǎo)體同時(shí)獨(dú)具備高研發(fā)投入和高資本支出特性

半導(dǎo)體是設(shè)計(jì)和制造非常復(fù)雜的產(chǎn)品。因此，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出高研發(fā)和高資本密集度的雙重特點(diǎn)。總的來(lái)說(shuō)，我們估計(jì)2019年全球產(chǎn)業(yè)在價(jià)值鏈所有活動(dòng)上的研發(fā)投資約為900億美元，資本支出約為1100億美元。這兩個(gè)數(shù)字加起來(lái)幾乎占同年全球半導(dǎo)體銷(xiāo)售額4190億美元的50%。 如上圖4所示，雖然65%的產(chǎn)業(yè)研發(fā)投資(不包括競(jìng)爭(zhēng)前的研究)是在價(jià)值鏈的設(shè)計(jì)層進(jìn)行的，但在EDA和核心IP、半導(dǎo)體設(shè)備和晶圓制造等領(lǐng)域也有顯著的研發(fā)活動(dòng)。同樣，65%的行業(yè)資本支出用于晶圓制造，但組裝和測(cè)試、材料甚至設(shè)計(jì)也需要大量投資于先進(jìn)的設(shè)施和設(shè)備。 考慮到企業(yè)在整個(gè)全球價(jià)值鏈上的投資，沒(méi)有其他行業(yè)在研發(fā)(占最終芯片年收入的22%，領(lǐng)先于制藥)和資本支出(占最終芯片收入的26%，領(lǐng)先于公用事業(yè))兩方面都有如此高的強(qiáng)度。(見(jiàn)圖10。)這種極高的投資強(qiáng)度產(chǎn)生了對(duì)大規(guī)模全球規(guī)模和專(zhuān)業(yè)化的需求。 后端材料包括引線框架，有機(jī)基板，陶瓷封裝，封裝樹(shù)脂，粘接線和模接材料。與上述晶圓制造材料相比，它們通常具有相對(duì)較低的技術(shù)生產(chǎn)壁壘。 這些高度專(zhuān)業(yè)化的材料的生產(chǎn)是在大型工廠完成的，這也需要高投資。全球領(lǐng)先的硅片、光敏電阻或氣體供應(yīng)商的年度資本支出通常占其收入的13 - 20%。總體而言，材料供應(yīng)商在2019年的資本支出總額中占6%，占行業(yè)增加值的5%。

半導(dǎo)體業(yè)務(wù)模型

自半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在20世紀(jì)60年代誕生以來(lái)，其結(jié)構(gòu)已從最初的垂直整合企業(yè)形式發(fā)展到現(xiàn)在的所有生產(chǎn)階段。技術(shù)復(fù)雜性的急劇增加，以及對(duì)大規(guī)模投資的需求，以保持設(shè)計(jì)(以研發(fā)的形式)和制造(以資本支出的形式)創(chuàng)新的步伐，有利于專(zhuān)業(yè)化參與者的出現(xiàn)。 今天的半導(dǎo)體公司可能會(huì)專(zhuān)注于供應(yīng)鏈的一層，或者跨幾層進(jìn)行垂直整合。沒(méi)有一家公司甚至整個(gè)國(guó)家是垂直整合的。目前有四種類(lèi)型的半導(dǎo)體公司，這主要取決于他們的集成水平和商業(yè)模式(圖11):集成器件制造商(IDMs)，無(wú)晶圓廠設(shè)計(jì)公司，代工廠和外包組裝和測(cè)試公司(OSATs)。

IDM被垂直整合到價(jià)值鏈的多個(gè)部分，進(jìn)行設(shè)計(jì)；制造；內(nèi)部的組裝，封裝和測(cè)試活動(dòng)。實(shí)際上，一些IDM擁有混合的“ fab-lite”模型，在那里他們將一些生產(chǎn)和組裝外包。在該行業(yè)的早期幾十年，IDM模式占主導(dǎo)地位，但迅速增加的研發(fā)和資本支出的規(guī)模創(chuàng)造了規(guī)模和專(zhuān)業(yè)化的同時(shí)需求，這導(dǎo)致了晶圓廠-代工模式的出現(xiàn)。目前，IDM在專(zhuān)注于內(nèi)存和DAO產(chǎn)品的公司中更為常見(jiàn)，這些產(chǎn)品主要是通用組件，微縮需求更強(qiáng)。2019年，IDM占全球半導(dǎo)體銷(xiāo)售的約70%。 無(wú)晶圓廠選擇專(zhuān)注于設(shè)計(jì)，并將芯片制造，裝配、封裝和測(cè)試外包。無(wú)晶圓廠企業(yè)通常將制造外包給純晶圓廠和OSATs。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，無(wú)晶圓廠模式隨著半導(dǎo)體需求的增長(zhǎng)而發(fā)展，因?yàn)閯?chuàng)新的步伐使得許多公司越來(lái)越難以同時(shí)管理制造的資本密集度和設(shè)計(jì)的高水平研發(fā)支出。隨著向更小的制造節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移，技術(shù)難度和前期投資飆升，無(wú)晶圓廠企業(yè)占半導(dǎo)體總銷(xiāo)量的比例從2000年的不到10%上升到2019年的近30%。 邏輯芯片基本上是無(wú)晶圓廠企業(yè)的領(lǐng)域，英特爾和三星是例外。這種動(dòng)態(tài)是由于市場(chǎng)的步伐要求改進(jìn)的功率和性能能力，以支持智能手機(jī)的快速周期和新興的前沿應(yīng)用程序的人工智能和高性能計(jì)算。 代工廠解決了無(wú)晶圓廠和IDM的制造需求，因?yàn)榇蠖鄶?shù)IDM內(nèi)部沒(méi)有足夠的差能來(lái)滿(mǎn)足他們的所有需求。這種商業(yè)模式使代工廠能夠分散與建造現(xiàn)代晶圓廠所需的大筆前期資本支出相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，這些資金需要跨越設(shè)計(jì)公司和IDM的更大客戶(hù)足跡。大多數(shù)晶圓代工廠只專(zhuān)注于為第三方制造，盡管一些具有強(qiáng)大制造能力的IDM除了自己的芯片外，也可能選擇為他人制造芯片。 撇開(kāi)內(nèi)存不說(shuō)，在過(guò)去的五年中，晶圓代工廠為DAO和邏輯產(chǎn)品增加了60%的增量產(chǎn)能。目前，代工廠占整個(gè)行業(yè)生產(chǎn)能力的35%，如果不考慮內(nèi)存，則占50%。在先進(jìn)(14納米或以下)和后續(xù)節(jié)點(diǎn)(20到60納米)使用更先進(jìn)的12 " /300mm晶圓尺寸時(shí)，他們的份額上升到78%。此外，目前僅有兩家公司可以在領(lǐng)先的5納米節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行生產(chǎn)，這兩家公司是代工廠。 OSATs為IDMs和無(wú)晶圓廠公司提供組裝、封裝和測(cè)試服務(wù)。這部分供應(yīng)鏈最早是在上世紀(jì)60年代由一些美國(guó)IDM轉(zhuǎn)移到海外的，因?yàn)檫@部分供應(yīng)鏈的資本密集度較低，且需要低技能勞動(dòng)力。無(wú)晶圓廠代工模式也導(dǎo)致了專(zhuān)門(mén)的OSAT公司的出現(xiàn)。

全球規(guī)模化的需求

以上所述的經(jīng)濟(jì)因素，再加上生產(chǎn)半導(dǎo)體所需的復(fù)雜技術(shù)方面的深厚專(zhuān)業(yè)知識(shí)，在供應(yīng)鏈的核心活動(dòng)中形成了進(jìn)入的天然障礙，導(dǎo)致每個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中的供應(yīng)商基礎(chǔ)相對(duì)集中。 在制造業(yè)，建設(shè)新產(chǎn)能所需的前期投資規(guī)模龐大，是一個(gè)主要障礙。舉例來(lái)說(shuō)，2015年至2019年，五大晶圓代工廠的年資本支出總計(jì)約為750億美元，或平均每家公司每年30億美元，相當(dāng)于其年收入的35%以上。 雖然半導(dǎo)體設(shè)計(jì)不需要大量的資本支出，但其高研發(fā)強(qiáng)度也創(chuàng)造了顯著的規(guī)模優(yōu)勢(shì)，并成為進(jìn)入壁壘。例如，在2015年至2019年的5年中，排名前5位的無(wú)晶圓廠企業(yè)在研發(fā)上的投資為680億美元，平均每家企業(yè)每年投資28億美元，相當(dāng)于其收入的22%。 只有規(guī)模非常大的公司才有可能從這些大規(guī)模投資中獲得令人滿(mǎn)意的回報(bào)。這就是為什么在半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的不同產(chǎn)業(yè)鏈條中，全球排名前三的企業(yè)通常占各自部門(mén)收入的50%至90%。 半導(dǎo)體供應(yīng)鏈真正全球化:六大區(qū)域(美國(guó)、韓國(guó)、日本、中國(guó)大陸、中國(guó)臺(tái)灣和歐洲)在2019年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)增加值中各占8%以上。如圖表12所示，半導(dǎo)體的典型行程涉及設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中不同階段的大多數(shù)（如果不是全部）地理區(qū)域。

在某種程度上，半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的這種高度分布式結(jié)構(gòu)遵循半導(dǎo)體工業(yè)和電子行業(yè)的全球地理分布。靠近開(kāi)發(fā)這些設(shè)備的領(lǐng)先公司對(duì)于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司可能很重要，具體表現(xiàn)為：

美國(guó)是電子設(shè)備設(shè)計(jì)的全球領(lǐng)導(dǎo)者。如圖2所示，美國(guó)消費(fèi)電子，信息技術(shù)，汽車(chē)和工業(yè)公司使用了世界上35％地區(qū)的半導(dǎo)體產(chǎn)品，包括用于PC和數(shù)據(jù)中心的高級(jí)芯片。

大中華區(qū)（包括中國(guó)臺(tái)灣）是全球最大的電子設(shè)備集散地。當(dāng)?shù)氐脑荚O(shè)備制造商（OEM）和合同制造商，由其他公司設(shè)計(jì)和組裝的設(shè)備占世界消費(fèi)電子產(chǎn)品的60％以上。

歐洲企業(yè)是汽車(chē)和工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的全球領(lǐng)導(dǎo)者；日本在這兩個(gè)領(lǐng)域和消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域都很強(qiáng)大；韓國(guó)是智能手機(jī)和其他消費(fèi)電子產(chǎn)品的重要力量。

雖然靠近客戶(hù)是半導(dǎo)體供應(yīng)鏈全球相互依存結(jié)構(gòu)的重要因素，但還有三種額外的關(guān)鍵因素：全球研發(fā)網(wǎng)絡(luò)、地區(qū)專(zhuān)業(yè)化和貿(mào)易自由化。接下來(lái)，我們更詳細(xì)地分析一下這三個(gè)因素： 1、全球研發(fā)網(wǎng)絡(luò) 半導(dǎo)體是一個(gè)需要在研發(fā)方面進(jìn)行高投入的行業(yè)，且需要在商業(yè)應(yīng)用之前投入多年。研發(fā)主題通常為大學(xué)和政府資助的先進(jìn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、半導(dǎo)體公司和科研機(jī)構(gòu)，它們分?jǐn)傃芯砍杀荆⒈苊庵貜?fù)投入和資源浪費(fèi)。 過(guò)去10年內(nèi)，在全球范圍內(nèi)提交的與半導(dǎo)體相關(guān)的科學(xué)出版物數(shù)量，中國(guó)和美國(guó)排在前兩位。我們對(duì)科學(xué)出版物的分析表明，半導(dǎo)體研究往往涉及跨境的合作：

中國(guó)機(jī)構(gòu)出版的半導(dǎo)體科學(xué)出版物中，有36％是與其他國(guó)家的機(jī)構(gòu)共同撰寫(xiě)的，事實(shí)上，美國(guó)是中國(guó)機(jī)構(gòu)最大的研究伙伴。

在來(lái)自美國(guó)機(jī)構(gòu)的出版物中，有60％與其他國(guó)家的機(jī)構(gòu)共同撰寫(xiě)，中國(guó)是最大的合作者，隨后是德國(guó)和韓國(guó)。

從事實(shí)上卡，半導(dǎo)體技術(shù)的一些最關(guān)鍵的進(jìn)步是全球參與者幾十年來(lái)研發(fā)協(xié)作的結(jié)果。例如雖然美國(guó)開(kāi)創(chuàng)了FinFET技術(shù)，并且擁有48％的相關(guān)專(zhuān)利，但其它國(guó)家也極大地促進(jìn)了使該技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的研發(fā)。具體來(lái)說(shuō)，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的幾家領(lǐng)先的晶圓代工廠，貢獻(xiàn)了20％的Finfet專(zhuān)利。 在EUV領(lǐng)域，該技術(shù)是制造7和5納米以及更先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)芯片的關(guān)鍵半導(dǎo)體設(shè)備，其開(kāi)發(fā)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始于美國(guó)和日本， 1986年第一次展示了該技術(shù)。在20世紀(jì)90年代和2000年代初，日本NTT在貝爾實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步推動(dòng)了這項(xiàng)技術(shù)的研究。繼NTT之后，荷蘭公司ASML尋求進(jìn)一步發(fā)展和商業(yè)化EUV，并與IMEC等機(jī)構(gòu)和企業(yè)合作推進(jìn)，后者包括英特爾（總部位于美國(guó)），三星（韓國(guó)）和臺(tái)積電（中國(guó)臺(tái)灣）合作。 ASML及其全球合作伙伴在技術(shù)商業(yè)化之前的階段提供資助研發(fā)，在過(guò)去這些年當(dāng)中，ASML投入了80億美元，并在2018年開(kāi)始在現(xiàn)代工廠實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化規(guī)模量產(chǎn)。 除了在潛在技術(shù)的發(fā)展中的全球合作之外，EUV還依賴(lài)于全球供應(yīng)鏈：如圖13所示，ASML開(kāi)發(fā)的EUV光刻設(shè)備包含約5,000多個(gè)供應(yīng)商提供的大約100,000個(gè)零件。

2、地區(qū)專(zhuān)業(yè)化 如上所述，六個(gè)主要地區(qū)掌控著全球半導(dǎo)體行業(yè)的產(chǎn)能。但每個(gè)地區(qū)在全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中發(fā)揮著不同的作用：廣泛地說(shuō)，美國(guó)在研發(fā)方面領(lǐng)先：當(dāng)中包括EDA和核心IP，芯片設(shè)計(jì)和制造設(shè)備。而原材料和制造（晶圓制造以及組裝，封裝和測(cè)試），這些都是資本密集型的，在很大程度上集中在亞洲（見(jiàn)圖14）。

盡管在過(guò)去幾十年中，美國(guó)政府對(duì)基礎(chǔ)研究的支持滯后，但美國(guó)依然是半導(dǎo)體研發(fā)的全球領(lǐng)導(dǎo)者。它是世界上一些最突出的技術(shù)大學(xué)和半導(dǎo)體公司集群的所在地，這帶來(lái)了良性的教育，研究，創(chuàng)業(yè)和資本循環(huán)，促進(jìn)了創(chuàng)新。雖然中國(guó)一直在積極投資半導(dǎo)體研發(fā)，且是目前最大的半導(dǎo)體學(xué)術(shù)研究論文和專(zhuān)利總數(shù)持有者，但美國(guó)仍然是業(yè)內(nèi)最主要的創(chuàng)新來(lái)源：他們與歐洲一起，具有最高的專(zhuān)利轉(zhuǎn)換率（通常被視為與全球商業(yè)潛力直接相關(guān)），這在半導(dǎo)體行業(yè)里通常是高質(zhì)量創(chuàng)新的標(biāo)志，美國(guó)的專(zhuān)利平均轉(zhuǎn)換率高于任何其他國(guó)家，且普遍高出3到6倍（見(jiàn)圖15）。

在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，包括無(wú)晶圓廠和IDM在內(nèi)的美國(guó)公司擁有接近50％的全球半導(dǎo)體銷(xiāo)售份額，其關(guān)鍵的成功因素是獲得了高技能的工程人才和蓬勃發(fā)展的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，特別是領(lǐng)先的大學(xué)。而在前20名的半導(dǎo)體公司中（（包括Fabless和IDM）），有10個(gè)總部位于美國(guó)。2019年收入前5的EDA和核心IP公司中，有4家總部位于美國(guó)。根據(jù)財(cái)務(wù)報(bào)表，在2019年，美國(guó)參與半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的公司在研發(fā)上花費(fèi)了當(dāng)年收入的18％。 如果去調(diào)查員工所在地區(qū)，我們得出的結(jié)果也突出了美國(guó)在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中的領(lǐng)導(dǎo)地位： 數(shù)據(jù)顯示，大約50％的涉及設(shè)計(jì)的全球半導(dǎo)體公司雇用的工程師位于美國(guó)。這個(gè)數(shù)字包括來(lái)自美國(guó)和非美國(guó)公司的工程師。設(shè)計(jì)公司越來(lái)越依賴(lài)于全球工程人才池，特別是在印度，我們估計(jì)世界上20％的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)工程師來(lái)自這里。 外國(guó)人才對(duì)美國(guó)在半導(dǎo)體創(chuàng)新方面的領(lǐng)導(dǎo)地位發(fā)揮了重要作用。回顧歷史，一些最基本的半導(dǎo)體技術(shù)仍然在大多數(shù)現(xiàn)代半導(dǎo)體中使用 ，例如金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)（MOSFET）晶體管和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）制造工藝都是由移民的科學(xué)家到美國(guó)后制定的。目前，美國(guó)大約有40％的高技能半導(dǎo)體工人在國(guó)外出生。這與美國(guó)大學(xué)吸引了來(lái)自全球的技術(shù)人才有關(guān)。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，國(guó)際學(xué)生在電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究生中占三分之二，并且在完成學(xué)位后，有80％以上留在該國(guó)。 來(lái)到半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，這是高度資本密集型產(chǎn)業(yè)，需要有吸引力的投資（特別是政府的激勵(lì)），并獲得強(qiáng)大的基礎(chǔ)設(shè)施支持（電力和供水，運(yùn)輸和物流），同時(shí)還需要具競(jìng)爭(zhēng)力的熟練制造工人。如我們先前的報(bào)告所述，專(zhuān)注于半導(dǎo)體制造經(jīng)濟(jì)學(xué)，政府激勵(lì)可能占新的最先進(jìn)的FAB的10年總體所有權(quán)總額（TCO）的30-40％，估計(jì)為先進(jìn)的模擬FAB提供100到150億美元，其中高級(jí)邏輯或內(nèi)存的投入為300到400億美元。 目前，東亞地區(qū)（包括日本，韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣）和中國(guó)大陸集中了全球半導(dǎo)體制造能力的75％，當(dāng)中包括所有7納米產(chǎn)能。根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)條件，預(yù)計(jì)其份額將在未來(lái)十年內(nèi)繼續(xù)上升。根據(jù)我們?cè)趫D16中匯總的分析，新FAB的TCO方面，美國(guó)大約比亞洲高出25-50％，40-70％的差異歸因于政府激勵(lì)措施。

特別需要注意的是，中國(guó)臺(tái)灣自1974年以來(lái)一直在發(fā)展半導(dǎo)體制造業(yè)，當(dāng)時(shí)政府選擇半導(dǎo)體作為一個(gè)關(guān)鍵的焦點(diǎn)行業(yè)，以拓展農(nóng)業(yè)以外的經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)力。政府政策包括直接支持，制定研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)園區(qū)并提供激勵(lì)措施，慷慨的稅收抵免，以及新工廠的建設(shè)，可以涵蓋其資本開(kāi)支的35％和13％的設(shè)備購(gòu)買(mǎi)，還有間接激勵(lì)措施，如金融部門(mén)和資本市場(chǎng)的改革，以促進(jìn)獲得資金。 雖然2009 - 2010年后，這些激勵(lì)計(jì)劃減少了，但我們估計(jì)中國(guó)臺(tái)灣在近10年期間，仍然為新的工廠提供了占總總體成本25-30％的獎(jiǎng)勵(lì)。其他亞洲地區(qū)，如韓國(guó)和新加坡，目前的相關(guān)投入遠(yuǎn)低于中國(guó)大陸。相比之下，美國(guó)和歐洲目前可用的新FAB建筑的激勵(lì)措施估計(jì)占總成本的10-15％。 在20世紀(jì)80年代后期，中國(guó)臺(tái)灣公司開(kāi)創(chuàng)了晶圓代工商業(yè)模型，專(zhuān)門(mén)從事生產(chǎn)其他地區(qū)公司設(shè)計(jì)的芯片。今天，臺(tái)灣地區(qū)擁有全球5個(gè)最大晶圓代工廠中的2個(gè)，占全球芯片總產(chǎn)能的20％。與英特爾（美國(guó)）和三星（韓國(guó)）一起，TSMC是可以在高級(jí)節(jié)點(diǎn)（10納米及以下）中生產(chǎn)邏輯芯片的三個(gè)公司之一，這是數(shù)據(jù)中心/AI服務(wù)器等計(jì)算密集型設(shè)備所必需的。事實(shí)上，幾乎所有世界上領(lǐng)先的節(jié)點(diǎn)（5和7納米）的產(chǎn)能都位于臺(tái)灣地區(qū)（見(jiàn)圖17）。

相比之下，裝配，封裝和測(cè)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(duì)于專(zhuān)門(mén)從事外包半導(dǎo)體封裝和測(cè)試的領(lǐng)先公司（Osats）資本支出通常不到晶圓代工廠的一半，大約占Osats收入的15％。鑒于資本強(qiáng)度較低，勞動(dòng)力成本是Osat公司的關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)因素。 相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)大陸，中國(guó)臺(tái)灣和東南亞熟練勞動(dòng)力的平均制造工資均低于美國(guó)80％。10大Osats公司中的9家總部位于中國(guó)大陸、中國(guó)臺(tái)灣和新加坡。中國(guó)大陸和臺(tái)灣地區(qū)占世界封裝和測(cè)試產(chǎn)能的60％以上。最近，Osats公司還開(kāi)始使自己的全球足跡多樣化，建立其他地方的新產(chǎn)能，如在馬來(lái)西亞等勞動(dòng)力成本低的地區(qū)建廠。然而，隨著先進(jìn)封裝領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新水平的增加，勞動(dòng)力成本可能變得越來(lái)越低。 3.貿(mào)易自由化 上述地區(qū)專(zhuān)業(yè)化意味著專(zhuān)注于半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的特定層的公司需要與通常位于其他國(guó)家/地區(qū)的產(chǎn)業(yè)鏈中下游的其他公司進(jìn)行協(xié)作。此外，考慮到半導(dǎo)體在所有類(lèi)型的電子產(chǎn)品中使用，最終需要將半導(dǎo)體部件運(yùn)送到最終器件的制造地。 例如，如本報(bào)告所述，雖然我們估計(jì)基于美國(guó)的電子設(shè)備制造商負(fù)責(zé)征收全球半導(dǎo)體需求的33％，但在許多情況下，他們的設(shè)備實(shí)際上是在美國(guó)以外制造的。例如中國(guó)是全球領(lǐng)先的電子設(shè)備制造商的約35％的半導(dǎo)體出貨量的目的地，他們的產(chǎn)品在那里組裝。 貿(mào)易協(xié)定已成為半導(dǎo)體產(chǎn)品的關(guān)稅和貿(mào)易壁壘，并加強(qiáng)了知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。集成電路是全球交易中最低關(guān)稅的產(chǎn)品之一。特別是在世界貿(mào)易組織的信息技術(shù)協(xié)議（ITA）自1997年以來(lái)生效，并在2015年進(jìn)一步擴(kuò)大之后。我們的分析表明，1997 ITA原文中包含的半導(dǎo)體相關(guān)商品的貿(mào)易增長(zhǎng)了10.5％，超過(guò)了20年期內(nèi)的CAGR，超過(guò)了該協(xié)議中未涵蓋的半導(dǎo)體產(chǎn)品的其余部分，以3個(gè)年度增長(zhǎng)情況來(lái)看，全球半導(dǎo)體相關(guān)貿(mào)易價(jià)值增加了20％。 實(shí)際上，供應(yīng)鏈的全球性質(zhì)和各國(guó)之間的相互依存性可以通過(guò)半導(dǎo)體貿(mào)易的幅度和組成來(lái)說(shuō)明（見(jiàn)圖18）。2019年，全球半導(dǎo)體貿(mào)易達(dá)到1.7萬(wàn)億美元。這是2019年全球半導(dǎo)體銷(xiāo)售價(jià)值的四倍以上，這表明半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)和制造中涉及的跨境交易的巨大程度。事實(shí)上，半導(dǎo)體是世界第四大交易產(chǎn)品，前三位是原油，機(jī)動(dòng)車(chē)及配件和精制油。 根據(jù)我們的分析，超過(guò)120個(gè)國(guó)家（超過(guò)60％的國(guó)家）涉及半導(dǎo)體產(chǎn)品的出口或進(jìn)口。盡管中國(guó)的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造的份額仍然相對(duì)較低，但該國(guó)在制造和組裝電子產(chǎn)品中的重要位置，使得該國(guó)成為半導(dǎo)體貿(mào)易的中心地帶。

這種全球結(jié)構(gòu)的意義：相互依存

半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的全球結(jié)構(gòu)、專(zhuān)業(yè)化，意味著各公司需要在相互依賴(lài)的關(guān)系中跨越邊界互動(dòng)和協(xié)作。例如，雖然美國(guó)是供應(yīng)鏈中的全球領(lǐng)導(dǎo)者（EDA、核心IP、設(shè)計(jì)和制造設(shè)備），并以高研發(fā)強(qiáng)度為特征，且全球半導(dǎo)體銷(xiāo)售（45-50％）份額高于其最終用戶(hù)全球電子設(shè)備消費(fèi)的份額（25％），它仍然依賴(lài)于其他國(guó)家的許多活動(dòng)，這主要集中在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。例如材料，晶圓制作，裝配，封裝和測(cè)試服務(wù)，甚至在領(lǐng)先的制程節(jié)點(diǎn)芯片制造的一些主要先進(jìn)設(shè)備方面，美國(guó)也需要依賴(lài)別人。如荷蘭的EUV光刻機(jī)。 基于比較優(yōu)勢(shì)的專(zhuān)業(yè)化產(chǎn)生的這種相互依賴(lài)性為半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)了巨大的益處，最終為電子設(shè)備的制造商依靠半導(dǎo)體的性能和成本依賴(lài)于持續(xù)改進(jìn)，以推動(dòng)數(shù)字服務(wù)的進(jìn)步。 作為來(lái)自這種全球結(jié)構(gòu)的好處的說(shuō)明，我們考慮了一個(gè)假設(shè)的場(chǎng)景，美國(guó)半導(dǎo)體公司必須擁有全球制造的所有產(chǎn)品。由于美國(guó)公司于2019年占全球半導(dǎo)體銷(xiāo)售額的49％，這意味著在這個(gè)假設(shè)的場(chǎng)景中，美國(guó)將擁有全球半導(dǎo)體制造能力的49％，而不是目前的12％。 如果沒(méi)有足夠的政府激勵(lì)措施，那些位于美國(guó)的工廠將以相對(duì)較高的運(yùn)營(yíng)成本（勞動(dòng)力，電力，由于較高前期資本支出而導(dǎo)致的年度折舊，包括各地區(qū)政府激勵(lì)措施的差異）運(yùn)作，其競(jìng)爭(zhēng)力不如韓國(guó)，中國(guó)臺(tái)灣或中國(guó)大陸。 引用我們2020年9月的報(bào)告中使用的Fab經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，在這一假設(shè)方案中，美國(guó)半導(dǎo)體公司的生產(chǎn)成本將增加約15％。反過(guò)來(lái)，這將破壞美國(guó)半導(dǎo)體公司的競(jìng)爭(zhēng)力，并降低他們維持當(dāng)前研發(fā)的能力的投資水平。鑒于美國(guó)公司在芯片設(shè)計(jì)中的全球領(lǐng)導(dǎo)地位，它最終可能會(huì)減緩創(chuàng)新，并最終導(dǎo)致全球電子設(shè)備制造商的成本升高。

新的全球背景下的風(fēng)險(xiǎn)

在過(guò)去三十年的歷程中，半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的全球結(jié)構(gòu)服務(wù)于該行業(yè)，它在支持創(chuàng)新和最終用戶(hù)采用信息技術(shù)方面發(fā)揮了重要作用，使得消費(fèi)者和企業(yè)非常受益。然而，在過(guò)去的幾年中，出現(xiàn)了幾個(gè)新因素，帶來(lái)了新的風(fēng)險(xiǎn)。在過(guò)去三十年中，基于比較優(yōu)勢(shì)的地理專(zhuān)業(yè)化的好處導(dǎo)致出現(xiàn)更集中和相互依存的全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈。雖然沒(méi)有詳盡無(wú)遺，但我們的分析表明，整個(gè)供應(yīng)鏈中有超過(guò)50個(gè)點(diǎn)，單個(gè)區(qū)域占全球總供應(yīng)總額的65％或更多。

雖然集中化能很好地服務(wù)于該行業(yè)，但從過(guò)往發(fā)生的某些事看到，高度的集中也給半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)兩大風(fēng)險(xiǎn)：

產(chǎn)業(yè)鏈高度地理集中可能導(dǎo)致大規(guī)模的供應(yīng)中斷

地緣政治緊張關(guān)系，可能損害全球?qū)?yīng)商或客戶(hù)的準(zhǔn)入

供應(yīng)鏈集中帶來(lái)的大規(guī)模的中斷供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)

制造業(yè)的過(guò)度地理集中使產(chǎn)業(yè)面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)，包括自然災(zāi)害、基礎(chǔ)設(shè)施故障、網(wǎng)絡(luò)攻擊甚至地緣政治摩擦都能給全球的供應(yīng)帶來(lái)新挑戰(zhàn)。 上述情況有許多例子，過(guò)去三十年里也發(fā)生了不少，以下摘錄了一些典型范例：

1993年，日本住友化工廠爆炸的影響經(jīng)常被用來(lái)說(shuō)明這種集中情況帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)的典范。因?yàn)檫@件事影響了全球60%的環(huán)氧樹(shù)脂供應(yīng)，這導(dǎo)致美國(guó)市場(chǎng)DRAM存儲(chǔ)芯片的現(xiàn)貨價(jià)格從平均30美元/兆字節(jié)飆升到大約80美元/兆字節(jié)。

1999年9月，中國(guó)臺(tái)灣中部發(fā)生強(qiáng)烈地震，臺(tái)灣新竹科學(xué)園因停電而停工六天。結(jié)果，內(nèi)存芯片價(jià)格上漲了兩倍，全球電子產(chǎn)品公司的股票也大幅下挫，IBM、惠普、英特爾和施樂(lè)等企業(yè)的市值在地震發(fā)生一個(gè)月后損失了18%到40%。

2011年，日本發(fā)生了一場(chǎng)大地震，接著是海嘯和核電站融化。這影響了全球25%的硅片生產(chǎn)和75%的全球過(guò)氧化氫供應(yīng)。有幾個(gè)工廠嗨關(guān)閉了幾個(gè)月。

2019年，日本和韓國(guó)之間的地緣政治緊張局勢(shì)急劇上升。日本對(duì)韓國(guó)的半導(dǎo)體材料實(shí)行出口管制，這影響了每個(gè)月大約70億美元的半導(dǎo)體出口。

2020年12月，位于臺(tái)灣的內(nèi)存工廠僅停電一小時(shí)，就影響了全球DRAM供應(yīng)的10%。

2020年10月和2021年2月，臺(tái)灣的一個(gè)封裝基板工廠發(fā)生的兩起火災(zāi)加劇了全球組裝能力的短缺。

今年年初，德克薩斯州大學(xué)引發(fā)的大面積停電和日本Renesas工廠發(fā)生的火災(zāi)，進(jìn)一步加劇了全球芯片供應(yīng)短缺，特別是在汽車(chē)市場(chǎng)。

由此可見(jiàn)，制造能力顯然是全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的一個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)。目前，全球近75%的芯片生產(chǎn)容量集中在東亞（日本、韓國(guó)和臺(tái)灣）和中國(guó)大陸，這是一個(gè)嚴(yán)重暴露于高地震活動(dòng)和地緣政治緊張的地區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)也是可想而至的。如果統(tǒng)計(jì)這個(gè)地區(qū)的先進(jìn)技術(shù)占比，那么這個(gè)數(shù)值更高，因?yàn)閺哪壳翱磥?lái)，全球領(lǐng)先的7納米和5納米節(jié)點(diǎn)100%都在以上地區(qū)生產(chǎn)。 值得一提的是，如表17所示，臺(tái)灣擁有世界邏輯芯片產(chǎn)能的40%，并在10納米或以下的最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)中取得遙遙領(lǐng)先的位置，這讓他們制造了大部用于智能手機(jī)、PC、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和自動(dòng)駕駛所需的應(yīng)用處理器、CPU、GPU和FPGA芯片，我們做一個(gè)極端假設(shè)的假設(shè)，如果臺(tái)灣晶圓廠停擺一年，那么臺(tái)灣晶圓行業(yè)將損失420億美元。 在這種情況下，全球不同應(yīng)用市場(chǎng)的電子設(shè)備制造商的收入會(huì)銳減4900 億美元。換而研制就是帶來(lái)了12倍以上的負(fù)面影響。屆時(shí)全球電子供應(yīng)鏈將會(huì)停止，造成嚴(yán)重的全球經(jīng)濟(jì)混亂。如果這種假設(shè)的徹底破壞成為永久性的事實(shí)，那么行業(yè)至少需要三年時(shí)間，并投入3500億美元資金，才能將產(chǎn)業(yè)拉回到以前的位置。這將是一項(xiàng)前所未有的任務(wù)。 此外，如硅片、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占該行業(yè)總增加值的很小一部分，但沒(méi)有他們，就不能制造半導(dǎo)體。由此可見(jiàn)保證其供應(yīng)可持續(xù)性的重要性。

舉個(gè)例子，，C4F6是一種用于制造3D NAND閃存和先進(jìn)邏輯芯片的關(guān)鍵工藝氣體，在芯片蝕刻的過(guò)程中，這是必不可少的。在2019年，C4F6的銷(xiāo)售額約為25億美元。查看這個(gè)產(chǎn)品的供應(yīng)，前三位供應(yīng)商分別位于日本、俄羅斯和韓國(guó)，占了全球供應(yīng)的40%、25%和23%。如果這三家最大的生產(chǎn)商中的任何一家受到嚴(yán)重干擾，6000萬(wàn)至1億美元的C4F6供應(yīng)損失可能會(huì)導(dǎo)致在半導(dǎo)體鏈下游的NAND企業(yè)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(yīng)的中斷不可逆，那么NAND的生產(chǎn)水平可能會(huì)被限制2-3年，直到替代地點(diǎn)可以引入新的產(chǎn)能，為大規(guī)模生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。

地緣政治緊張關(guān)系，可能損害對(duì)供應(yīng)商或客戶(hù)的準(zhǔn)入

雖然芯片的短缺并沒(méi)有使該行業(yè)的制造面臨立刻暫停的風(fēng)險(xiǎn)，但領(lǐng)先的全球供應(yīng)商的集中，以及以公司總部位置作為技術(shù)實(shí)際開(kāi)發(fā)地點(diǎn)的計(jì)算方式，也給半導(dǎo)體供應(yīng)帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)（見(jiàn)上文表19）。從目前看來(lái)，這是半導(dǎo)體行業(yè)的既定事實(shí)：

在半導(dǎo)體制造設(shè)備方面，美國(guó)公司在5個(gè)主要制造工藝設(shè)備類(lèi)別（沉積工具、干/濕蝕刻和清洗、摻雜設(shè)備、制程控制和測(cè)試)中占有50%以上的全球市場(chǎng)份額）。同樣，日本擁有90%以上的光刻膠市場(chǎng)份額，這是光刻工藝的關(guān)鍵設(shè)備。此外，荷蘭公司ASML擁有7nm以下芯片生產(chǎn)必須的EUV光刻機(jī)100%的全球市場(chǎng)份額。

總部設(shè)在美國(guó)的公司在先進(jìn)的邏輯產(chǎn)品(如CPU、GPU或FPGA)中占了90%以上的份額，這些產(chǎn)品為PC、數(shù)據(jù)中心 服務(wù)器、AI分析和汽車(chē)ADAS系統(tǒng)提供動(dòng)力。盡管這些產(chǎn)品是主要是在亞洲的晶圓代工廠生產(chǎn)的。

同樣，三家總部位于美國(guó)的公司（其中一家現(xiàn)在擁有一家位于歐洲母公司）在設(shè)計(jì)半導(dǎo)體所必需的EDA軟件工具中擁有85%的全球份額。

在核心IP層，總部設(shè)在英國(guó)的Arm公司給幾乎每一部手機(jī)上運(yùn)行的SoC提供了授權(quán)，他們也在嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的架構(gòu)和處理器核心等市場(chǎng)發(fā)力。

在正常的市場(chǎng)條件下，這可能不會(huì)立即出現(xiàn)供應(yīng)問(wèn)題。然而在某些情況，他們也可能受到貿(mào)易或地緣政治沖突情景的干擾，這些情況限制了潛在客戶(hù)使用來(lái)自某些國(guó)家的供應(yīng)商或技術(shù)。 總體而言，地緣政治緊張局勢(shì)在過(guò)去10年中一直在全球范圍內(nèi)上升：衡量全球地緣政治風(fēng)險(xiǎn)的指數(shù)已回到1990-1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)的水平。關(guān)鍵的半導(dǎo)體貿(mào)易地緣政治局勢(shì)將會(huì)中美之間持續(xù)發(fā)酵，并持續(xù)緊張。為此我們可以說(shuō)，行業(yè)供應(yīng)鏈面臨著越來(lái)越大的風(fēng)險(xiǎn)。 （1）日韓關(guān)系緊張 因?yàn)閮烧叩臍v史原因，日本于2019年7月對(duì)韓國(guó)的半導(dǎo)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(chǎn)品中，韓國(guó)特別關(guān)注半導(dǎo)體制造的三種關(guān)鍵化學(xué)品：氟化氫（日本供應(yīng)商占全球供應(yīng)的70%）、氟化聚酰亞胺和光刻膠(日本供應(yīng)商壟斷了這兩者90%以上的全球供應(yīng))。雖然韓國(guó)從日本進(jìn)口這三種產(chǎn)品的價(jià)值相對(duì)較小，每年僅為4億美元，但韓國(guó)每年出口800億美元依賴(lài)這些化學(xué)品生產(chǎn)的半導(dǎo)體，這帶來(lái)的收入損失放大了250倍 考慮到韓國(guó)在全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中的卓越地位，是世界上第二大半導(dǎo)體制造商，并在全球內(nèi)存市場(chǎng)占有44%的份額，這就讓他們?cè)谶@場(chǎng)沖突中帶來(lái)的影響超出了半導(dǎo)體行業(yè)，并破壞了整個(gè)全球電子供應(yīng)鏈的下游。 雖然在2020年期間，雙方的緊張局勢(shì)似乎有所緩和，而且日本一直在批準(zhǔn)這三種化學(xué)品的出口許可證申請(qǐng)，但情況仍然相當(dāng)敏感。只要潛在的雙邊問(wèn)題仍未解決，全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)繼續(xù)存在。 （2）美中摩擦 美國(guó)和中國(guó)持續(xù)存在的緊張關(guān)系給雙方的半導(dǎo)體合作帶來(lái)了很大的不確定性。自2018年以來(lái)，這一緊張關(guān)系已經(jīng)顯著升級(jí)。雖然半導(dǎo)體在很大程度上被排除在兩國(guó)對(duì)從另一方進(jìn)口的一系列產(chǎn)品征收的關(guān)稅之外，但在2019年和2020年，美國(guó)政府對(duì)華為和其他中國(guó)實(shí)體實(shí)施了一系列出口管制，限制他們獲得含有美國(guó)技術(shù)的半導(dǎo)體。按照他們的說(shuō)法，這些半導(dǎo)體違反了美國(guó)的國(guó)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(gè)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈，當(dāng)中包括EDA和包含美國(guó)開(kāi)發(fā)的技術(shù)的制造設(shè)備。鑒于美國(guó)公司目前是EDA和關(guān)鍵設(shè)備的唯一可行供應(yīng)商（見(jiàn)表17），這些控制措施嚴(yán)重地影響了中國(guó)實(shí)體采購(gòu)美國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)品，甚至影響了他們從非美國(guó)供應(yīng)商那里采購(gòu)半導(dǎo)體。 在這些規(guī)則的壓迫下，中國(guó)正在開(kāi)發(fā)和尋求替代方案， 雖然這可能需要一些時(shí)間，但減少對(duì)美國(guó)半導(dǎo)體供應(yīng)商的依賴(lài)和供應(yīng)鏈本土化的想法正在中國(guó)成為現(xiàn)實(shí)。 正如上一節(jié)所述，中國(guó)消費(fèi)了全球半導(dǎo)體的24%(表3中的“標(biāo)準(zhǔn)C”)，這使得它成為世界上第二大市場(chǎng)，幾乎與美國(guó)持平。因?yàn)樗麄兪鞘澜缟献畲蟮碾娮釉O(shè)備制造中心，因此中國(guó)也成為成品芯片出口的首選目的地。此外，中國(guó)正在積極投資半導(dǎo)體制造業(yè)：在2020年，中國(guó)制造的芯片占了全球總產(chǎn)量的15%。根據(jù)預(yù)測(cè)，他們將在未來(lái)十年將產(chǎn)能提升至40%。 這些雙邊緊張局勢(shì)的持續(xù)可能會(huì)對(duì)美國(guó)和依賴(lài)美國(guó)技術(shù)的半導(dǎo)體企業(yè)和行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的負(fù)面影響，他們可能會(huì)被阻止向一些重要的中國(guó)客戶(hù)銷(xiāo)售，如果他們沒(méi)法向任何中國(guó)公司銷(xiāo)售，這個(gè)帶來(lái)的影響更是不敢想象的。 沖突的持續(xù)還可能引發(fā)中國(guó)的反擊，這可能會(huì)直接或間接影響全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈。眾所周知，中國(guó)在稀土材料方面擁有很高的份額，雖然這些材料只占總生產(chǎn)成本的一小部分，但它們是半導(dǎo)體的重要組成部分。這是全球脆弱的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中經(jīng)常被忽視的一環(huán)。 根據(jù)我們的分析，在17種關(guān)鍵原材料的提取中，中國(guó)領(lǐng)先于其中的9種，同時(shí)在14種材料的提煉方面處于領(lǐng)先位置。隨著稀土在商品市場(chǎng)上的交易，整個(gè)供應(yīng)鏈都會(huì)感受到對(duì)中國(guó)出口的限制，并可能擾亂全球電子設(shè)備的生產(chǎn)，從而抑制對(duì)半導(dǎo)體的需求。 最后，美中摩擦也助長(zhǎng)了雙方發(fā)展自給自足半導(dǎo)體的愿望。對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，這主要是對(duì)其長(zhǎng)期努力的放大和加速，并獲得了進(jìn)一步的緊迫性。就美國(guó)而言，與中國(guó)不斷升級(jí)的戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)暴露了他們因?yàn)榘雽?dǎo)體制造高度集中帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，這也在當(dāng)?shù)匾l(fā)了一些關(guān)于半導(dǎo)體制造自給自足的的公開(kāi)辯論。 在如歐洲、日本和韓國(guó)等世界其他地區(qū)，，因?yàn)榭吹矫乐袥_突給半導(dǎo)體帶來(lái)的影響，加上最近廣泛存在的半導(dǎo)體短缺給汽車(chē)工業(yè)帶來(lái)的影響，多種事實(shí)驅(qū)使他們?cè)鰪?qiáng)對(duì)半導(dǎo)體的關(guān)注。此外，他們自己的公司在半導(dǎo)體行業(yè)的某些領(lǐng)域具有全球領(lǐng)先地位，但他們發(fā)現(xiàn)自己因?yàn)槭褂昧嗣绹?guó)技術(shù)，而被限制出售，這進(jìn)一步加速了他們的轉(zhuǎn)變。

解決這些風(fēng)險(xiǎn)：完全自給自足不是答案

半導(dǎo)體對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和國(guó)家安全都具有戰(zhàn)略重要性。半導(dǎo)體供應(yīng)鏈已成為一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，為其必須加強(qiáng)其業(yè)務(wù)彈性和連續(xù)性，這也必將成為21世紀(jì)地緣政治競(jìng)爭(zhēng)的熱門(mén)領(lǐng)域。 考慮到上述的兩種風(fēng)險(xiǎn)，世界各國(guó)政府都希望采取行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體的“自給自足”或技術(shù)“獨(dú)立”或“可控”的概念正在作為潛在的可取的國(guó)家政策目標(biāo)被廣泛討論，這些討論通常側(cè)重于半導(dǎo)體制造。但是，如果大多數(shù)國(guó)家或區(qū)域要重新建立本土或近本土的芯片制造能力，以減少上述風(fēng)險(xiǎn)，并保護(hù)其國(guó)家利益，了解這些建設(shè)需要多少投資是有幫助的。 我們來(lái)分析看一下兩種情況：一種是每個(gè)區(qū)域追求完全的半導(dǎo)體自給自足， 而不是更靈活、更有針對(duì)性的投資，旨在填補(bǔ)戰(zhàn)略高風(fēng)險(xiǎn)缺口，以提高全球供應(yīng)鏈的復(fù)原力。為了說(shuō)明這種情況，我們?cè)诒?0提出了一個(gè)假設(shè)的極端情況，那就是世界上每個(gè)主要地區(qū)都希望在供應(yīng)鏈的所有層面上嚴(yán)格建立半導(dǎo)體“自給 自足。這將意味著國(guó)內(nèi)企業(yè)在EDA和IP核，芯片設(shè)計(jì)，原材料，制造設(shè)備，晶圓制造，以及組裝，封裝和測(cè)試方面都有足夠的能力，滿(mǎn)足100%的國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體消費(fèi)需求。 我們暫時(shí)不考慮這些計(jì)劃執(zhí)行的可行性，單討論一下這種情況的投入。據(jù)我們預(yù)測(cè)，為了實(shí)現(xiàn)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(gè)數(shù)字相當(dāng)于2019年半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的研發(fā)投入和資本支出總額的6倍左右。此外，我們假設(shè)整個(gè)供應(yīng)鏈的半導(dǎo)體公司可以保持目前的成本結(jié)構(gòu)，我們估計(jì)該行業(yè)增加的經(jīng)常性年度業(yè)務(wù)費(fèi)將達(dá)到450億至1,250億美元（表20）。

其中，制造能力的投入預(yù)計(jì)站前期投資的大部分。總的來(lái)說(shuō)，在這種極端情況下必須建立的新能力相當(dāng)于現(xiàn)有全球總產(chǎn)能的40%。這表明，如果要實(shí)施這種措施，該行業(yè)將面臨大規(guī)模的全球產(chǎn)能過(guò)剩的局面。根據(jù)我們估計(jì)，這個(gè)資本支出將高達(dá)8000多億美元。此外，我們還需要在每個(gè)區(qū)域建設(shè)能滿(mǎn)足其當(dāng)?shù)匕雽?dǎo)體生產(chǎn)所需的原材料生產(chǎn)、晶圓制造和組裝、封裝和測(cè)試能力，這后續(xù)的投資也是驚人的。 此外，我們必須要說(shuō)明的是，晶圓廠是非常復(fù)雜的，通常需要2-4年才能建造完成并投入商業(yè)生產(chǎn)，同時(shí)我們還需要3000至6000名工作人員操作，當(dāng)中的大多是需要招聘和培訓(xùn)的。 除了這種對(duì)新產(chǎn)能的前期投資外，每個(gè)國(guó)家或地區(qū)都將承擔(dān)運(yùn)營(yíng)工廠的成本。從長(zhǎng)期來(lái)看，我們假設(shè)該行業(yè)能夠最終重新建立供需平衡，避免全球產(chǎn)能過(guò)剩。但即使如此，全球芯片制造的運(yùn)營(yíng)成本總額也將大大超過(guò)目前全球供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)的水平。 表21按地理區(qū)域劃分，展示了當(dāng)?shù)厝绻雽?shí)現(xiàn)半導(dǎo)體自給自足需要用的預(yù)估費(fèi)用。盡管美國(guó)目前在供應(yīng)鏈的幾個(gè)層面上處于領(lǐng)先地位，但它仍需要進(jìn)行3,500-4200億美元的前期投資，這主要集中在制造能力方面。即使考慮到其較低的要素成本，在這種假設(shè)狀態(tài)下，中國(guó)也需要1750億到2500億美元的前期投資和100-300億的額外年運(yùn)營(yíng)成本。

綜上所述，如果想在每個(gè)主要地區(qū)建立一系列完整的半導(dǎo)體國(guó)內(nèi)供應(yīng)，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(yùn)營(yíng)成本（不包括新的前期投資的折舊），這只會(huì)抵消該行業(yè)的利潤(rùn)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年，整個(gè)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的利潤(rùn)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(zhuǎn)嫁給設(shè)備制造商，因?yàn)樗麄冊(cè)谥圃煸O(shè)備的時(shí)候，也需要購(gòu)買(mǎi)半導(dǎo)體。 如果向客戶(hù)收取全部費(fèi)用，這就相當(dāng)于半導(dǎo)體價(jià)格平均上漲35%到65%，這可能導(dǎo)致終端電子設(shè)備的價(jià)格上漲。此外，受外國(guó)競(jìng)爭(zhēng)保護(hù)，被剝奪全球化、孤立的國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)也可能喪失效率和創(chuàng)新能力。 最終，它將扭轉(zhuǎn)過(guò)去幾十年來(lái)設(shè)備越來(lái)越強(qiáng)大，但成本卻越來(lái)越低的趨勢(shì)。 總之，完全可控或完全半導(dǎo)體自給自足似乎更多的是一個(gè)理論概念，而不是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的政策目標(biāo)。但即使如此，各國(guó)一人可以重申其在全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中的地位，確保它們以研究和知識(shí)產(chǎn)權(quán)促進(jìn)技術(shù)發(fā)展。這確保了相互依賴(lài)，并為每個(gè)國(guó)家提供了一個(gè)強(qiáng)大的地位。

另一種方案：以市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的方法，側(cè)重于關(guān)鍵戰(zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)???????????

有重要經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全問(wèn)題的國(guó)家可以采取突出重點(diǎn)的辦法，在國(guó)內(nèi)建立一些先進(jìn)的半導(dǎo)體制造能力，以滿(mǎn)足它們?cè)陉P(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域最敏感的需要。 在我們這里上次報(bào)告中，我們發(fā)現(xiàn)美國(guó)在半導(dǎo)體制造能力中的份額從1990年的37%下降了到2020年達(dá)到12%。如果這種趨勢(shì)繼續(xù)下去，屆時(shí)只有6%的產(chǎn)能位于美國(guó)。相比之下，中國(guó)預(yù)計(jì)在未來(lái)十年將增加約40%的新產(chǎn)能，并一躍成為全球最大的半導(dǎo)體制造基地。 正如前面所討論的，這一趨勢(shì)背后的關(guān)鍵因素是經(jīng)濟(jì)學(xué)。在美國(guó)運(yùn)營(yíng)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%的差異直接歸因于政府的激勵(lì)（見(jiàn)表16）。根據(jù)我們先前的分析，200億到500億美元的聯(lián)邦政府計(jì)劃，能為未來(lái)十年建立新的最先進(jìn)的工廠提供額外的贈(zèng)款和稅收獎(jiǎng)勵(lì)，這將有效地扭轉(zhuǎn)這一下降趨勢(shì)。

我們估計(jì)，一個(gè)500億美元的激勵(lì)計(jì)劃將使美國(guó)在未來(lái)十年內(nèi)建造19個(gè)工廠，如果不采取行動(dòng)，這一數(shù)字將增加一倍。相反，要實(shí)現(xiàn)完全自給自足的目標(biāo)， 則需要高達(dá)4000億美元的政府獎(jiǎng)勵(lì)。表22描述了這種市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的、有針對(duì)性的200億至500 億美元的政府激勵(lì)計(jì)劃如何使美國(guó)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于韓國(guó)（8%) 和中國(guó)臺(tái)灣(92%）。鑒于先進(jìn)邏輯芯片在高性能計(jì)算和人工智能方面的重要性，美國(guó)最近將其確定為微電子供應(yīng)鏈中的一個(gè)關(guān)鍵。 我們估計(jì)，為了滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的先進(jìn)邏輯芯片的預(yù)期需求，美國(guó)只需要在2030年前于本土建造2-3個(gè)最先進(jìn) 的FAB，假設(shè)新的FAB的每月產(chǎn)能介乎20000和35000個(gè)硅片之間。這種產(chǎn)能的增加與市場(chǎng)需求很好地吻合。

人才的約束

獲得高技能人才對(duì)半導(dǎo)體等研發(fā)密集型產(chǎn)業(yè)也至關(guān)重要。與上述其他兩種風(fēng)險(xiǎn)不同的是，人才短缺可能不會(huì)對(duì)行業(yè)日常運(yùn)營(yíng)造成大規(guī)模破壞的直接威脅。但即使如此，它還是可能會(huì)拖慢其在今后幾年里的創(chuàng)新步伐。 人才已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)的的一大關(guān)注點(diǎn)。2017年的一份對(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈的半導(dǎo)體高管的調(diào)查顯示，大約80%公司面臨著技術(shù)角色候選人的嚴(yán)重短缺。在2018年的另一項(xiàng)調(diào)查中，64%的受訪者將人才列為威脅其成長(zhǎng)能力的前3大風(fēng)險(xiǎn)之一。 薪酬統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還指出了人才供給的制約因素：美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的工資一直在增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)顯示，自2001年以來(lái)，美國(guó)半導(dǎo)體業(yè)工資的平均曾旭為4.4%，明顯快于整個(gè)經(jīng)濟(jì)的工資增長(zhǎng)幅度。 考慮到許多半導(dǎo)體公司的研發(fā)投資占收入的比例在中期內(nèi)趨于穩(wěn)定，產(chǎn)業(yè)收入的增長(zhǎng)可能是為日益增長(zhǎng)的人才需求設(shè)定基準(zhǔn)的一個(gè)很好的替代因素。根據(jù)預(yù)估，全球半導(dǎo)體行業(yè)的銷(xiāo)量在未來(lái)十年將以4%-5%的平均年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。在這種增長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，這個(gè)行業(yè)也面臨著勞動(dòng)力老齡化的挑戰(zhàn)，因?yàn)槟壳按罅繐?dān)任技術(shù)職位的雇員都有可能在10年后退休。此外，該行業(yè)也需要吸引具有不同技能集的人才，特別是在軟件開(kāi)發(fā)和人工智能方面的。 從下圖可以看到，科學(xué)和工程的畢業(yè)生似乎不足以滿(mǎn)足該行業(yè)的需求。

總結(jié)

半導(dǎo)體體供應(yīng)鏈的全球化性質(zhì)在每一個(gè)環(huán)節(jié)為每一家公司提供了進(jìn)入市場(chǎng)的機(jī)會(huì)，它還使不同的國(guó)家或地區(qū)擁有不同的專(zhuān)業(yè)化優(yōu)勢(shì)。例如美國(guó)在芯片設(shè)計(jì)和制造設(shè)備等價(jià)值鏈中研發(fā)密集程度最高的領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，亞洲國(guó)家和地區(qū)則在制造環(huán)節(jié)處于領(lǐng)先地位。 在這個(gè)全球供應(yīng)鏈中，企業(yè)在與半導(dǎo)體相關(guān)的商品和服務(wù)上進(jìn)行跨境合作和貿(mào)易，這些國(guó)家和地區(qū)都是相互依存的。 展望未來(lái)十年，該行業(yè)將需要在整個(gè)價(jià)值鏈中投入約合三萬(wàn)億美元的研發(fā)和資本支出，以滿(mǎn)足全球?qū)Π雽?dǎo)體快速增長(zhǎng)需的求。半導(dǎo)體公司每年需要在研發(fā)方面持續(xù)投資900億美元開(kāi)發(fā)日益復(fù)雜的芯片，為AI、物聯(lián)網(wǎng)或自動(dòng)駕駛車(chē)輛等變革性應(yīng)用提供動(dòng)，這相當(dāng)全球半導(dǎo)體銷(xiāo)售總額的20%。 在制造方面，隨著2020年末全球半導(dǎo)體短缺的凸顯，未來(lái)幾年需要在全球建立大量的新產(chǎn)能。根據(jù)越策，到2030年，該行業(yè)的產(chǎn)能將幾乎翻一番，以趕上預(yù)期的4%至5%的半導(dǎo)體需求年均增長(zhǎng)。 同時(shí)，行業(yè)必須在材料、架構(gòu)和制造技術(shù)方面進(jìn)行創(chuàng)新，才能在未來(lái)幾年保持過(guò)去幾十年的性能和成本增長(zhǎng)率。這需要大量投資于基礎(chǔ)研究。 一個(gè)強(qiáng)大的全球供應(yīng)鏈，繼續(xù)把世界級(jí)的公司聚集在一起，在材料、設(shè)計(jì)和制造方面實(shí)現(xiàn)跨界合作，這至關(guān)重要。但與此同時(shí)，我們也必須解決供應(yīng)鏈某些關(guān)鍵部分的高度集中的問(wèn)題，這可以避開(kāi)環(huán)境和地緣政治的影響。 不過(guò)我們必須強(qiáng)調(diào)一下，解決這些挑戰(zhàn)的辦法不是通過(guò)大規(guī)模的國(guó)家工業(yè)政策來(lái)實(shí)現(xiàn)全面的自給自足，因?yàn)檫@些政策的成本驚人，切執(zhí)行的可行性令人懷疑。相反，我們認(rèn)為，適當(dāng)調(diào)整政策會(huì)更有意義。

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