美國SIA最新報告：未來十年，中國將成全球“芯片工廠”

作者 |  心緣
編輯 |  漠影
芯東西4月27日報道，本月早些時候，美國半導體行業(yè)協(xié)會（SIA）與波士頓咨詢集團（BCG）聯(lián)合發(fā)布了一份研究報告，通過20多張圖表，詳盡地分析和呈現(xiàn)全球半導體供應鏈的分布特征。這份53頁的《在不確定的時代加強全球半導體供應鏈》報告提到，在未來10年，整個半導體供應鏈需投資約3萬億美元的研發(fā)和資本支出，半導體公司每年需持續(xù)研發(fā)投入逾900億美元，相當于全球半導體銷售額的20%左右，以開發(fā)越來越復雜的芯片。

根據這份報告，日本、韓國、中國臺灣和中國大陸目前集中了全球大約75%的半導體制造產能；如果按照現(xiàn)在的發(fā)展趨勢，中國大陸有望在未來10年發(fā)展成全球最大的半導體制造基地。其分析數(shù)據顯示，要建設完全自給自足的半導體供應鏈，至少需增加1萬億美元左右的前期投入，最終會致使半導體價格整體上漲35%~65%；假如臺灣晶圓廠永久中斷，至少需要花3年、投資3500億美元，才能在世界其他地方建設足夠替代的產能。此外，報告還展現(xiàn)了全球半導體供應鏈研發(fā)及人才現(xiàn)狀。當前在半導體科研領域，中美互為最大的研究合作伙伴，中國每年提交的論文數(shù)和專利數(shù)最多，美國半導體專利平均被引用次數(shù)最高，而許多美國半導體技術突破均為海外人才貢獻。

未來10年，中國有望成全球最大半導體制造基地

該報告顯示，美國在全球半導體制造產能中的份額已從1990年的37%降至當前的12%，如果按目前趨勢發(fā)展下去，這一比例可能降至6%。相比之下，未來10年，中國有望增加約40%的新產能，成為全球最大半導體制造基地。這背后一大關鍵因素是經濟因素，在美國建設一個新芯片工廠的10年總擁有成本（TCO）大約比亞洲地區(qū)高25%~50%。而總擁有成本中約40-70%直接歸因于政府激勵措施，目前美國的政府激勵措施比其他地方低得多。

該報告認為，美國聯(lián)邦政府對本土半導體制造業(yè)的500億美元投資，有望扭轉美國芯片產量下降的趨勢，并在未來10年在美國建立多達19家先進的邏輯、存儲和模擬半導體制造工廠或晶圓廠。這將直接創(chuàng)造7萬個高薪工作崗位，并在整個經濟中間接創(chuàng)造大約額外的35萬個就業(yè)機會，即總共超過40萬個直接和間接就業(yè)機會。

建設完全自給自足的半導體供應鏈，至少需增加前期投資1萬億美元

該報告認為，當前沒有一家公司甚至整個國家能實現(xiàn)完全的垂直整合。半導體供應鏈是真正全球化的，2019年，六大地區(qū)（美國、韓國、日本、中國大陸、中國臺灣、歐洲）對半導體行業(yè)總增加值的貢獻均達到或超過8%。

在全球半導體供應鏈中，各地區(qū)展現(xiàn)著不同的優(yōu)勢，并互相依賴。半導體的典型歷程涉及到大多數(shù)這些地區(qū)。

美國在研發(fā)密集型產業(yè)，如電子設計自動化（EDA）、核心IP、芯片設計和先進制造方面處于領先地位，這得益于其世界一流的大學、龐大的工程人才庫、市場驅動的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。東亞地區(qū)（韓國、日本、中國臺灣）在晶圓制造方面優(yōu)勢明顯，有政府激勵措施支持的大規(guī)模資本投資，以及強大的基礎設施和熟練的勞動力。中國大陸在裝備、封裝、測試等領域處于領先地位，并正在積極加大投資。

假設在每個地區(qū)建設完全自給自足的本地供應鏈的假設替代方案，將需要至少1萬億美元（9000億~1.225億美元）的增量前期投資，并導致半導體價格整體上漲35％至65％，最終導致消費者電子設備成本上升。

具體來看，按地區(qū)分布，假如要滿足半導體自給自足，美國需進行3500~4200億美元的前期投資，中國大陸需進行1750~2500億美元的前期投資。

假設取代臺灣晶圓廠，至少需投資三年、3500億美元

整個半導體供應鏈上有超過50個地區(qū)，其中一個地區(qū)擁有超過65%的全球市場份額。

例如，大約75％的全球半導體制造能力，以及硅晶片、光刻膠等許多關鍵材料的供應商，均集中在中國大陸及東亞地區(qū)。這些地區(qū)易遭受高地震活動和地緣政治緊張局勢的影響。另外，全球最先進的半導體生產能力（即10nm以下）目前100%位于中國臺灣（占92％）和韓國（占8％）。

這些地區(qū)存在可能因自然災害、基礎設施關閉或國際沖突而中斷的潛在風險，并可能導致基本芯片供應嚴重中斷。在極端假設的情況下，如果臺灣代工廠完全中斷一年，臺灣代工廠將失去420億美元的收入，這可能會導致全球電子供應鏈停擺，乃至影響到不同電子設備應用市場4900億美元的收入，從而造成嚴重的全球經濟中斷。如果要使這種假設的中斷變得永久化，則可能至少需要3年時間、3500億美元的投資，才能在世界其他地方建設足夠的產能來取代臺灣晶圓廠。
美國和中國是全球最大的半導體市場

半導體可分為三類，分別是邏輯（收入占比42%），內存（收入占比26%），以及離散、模擬和其他（DAO，收入占比32%）。在手機領域，模擬半導體占比最高；在消費電子、PC、ICT基礎設施領域，邏輯半導體占比偏高；在工業(yè)和汽車應用領域，DAO占比更高。

其中，采用10nm以下先進制程的均為邏輯半導體，而DAO在成熟制程產能中占比偏高。

從地理分布來看，有三種不同的方式來衡量半導體需求的來源，一是電子設備制造商總部所在地，二是設備制造、組裝地點，三是購買電子設備的最終用戶所在地。

可以看到，美國和中國是全球最大的半導體市場。該報告估計，2019年中國消費者和企業(yè)購買的設備中包含半導體的價值約占全球半導體收入的24%。幾乎與美國（25%）持平，高于歐洲（20%）。由于在大多數(shù)電子設備類別中，中國國內市場的增長將比世界其他地區(qū)平均高出4%~5%，因此分析師預計，中國在全球半導體消費中所占的份額預計將在未來5年繼續(xù)增長。
半導體供應鏈7大環(huán)節(jié)研發(fā)&資本支出分布

半導體創(chuàng)造和生產所涉及的產業(yè)供應鏈是非常復雜和全球化的，由研究、設計、前端制造、后端封測、EDA&核心IP、設備&工具、材料等7個環(huán)節(jié)所組成的生態(tài)系統(tǒng)來支持。

該報告估計，2019年全球半導體產業(yè)研發(fā)投資約為900億美元，資本支出約為1100億美元，兩個數(shù)字的總和幾乎占同年全球半導體銷售額（4190億美元）的50%。

1、競爭前研究：占整個行業(yè)研發(fā)支出的15-20%從一項新技術方法在一篇研究論文中被引入，到大規(guī)模商業(yè)制造中，預計平均需10-15年的時間。例如，極紫外線（EUV）技術是最先進的半導體制造節(jié)點的基礎，從早期的概念演示到在晶圓廠的商業(yè)實現(xiàn)，花了近40年的時間。在大多數(shù)領先國家，基礎研究通常占總研發(fā)投入的15-20%。例如在美國，基礎研究一直穩(wěn)定在總研發(fā)的16-19%，中國目前只有約5-6%的研發(fā)支出用于基礎研究，但過去20年中國一直在縮小競爭前研究和總研發(fā)支出之間的差距。2、芯片設計：占整個行業(yè)研發(fā)支出的65%芯片設計是知識技能密集型業(yè)務，占整個行業(yè)研發(fā)的65%。專注于芯片設計的公司，通常會將年收入的12%~20%用于研發(fā)。隨著芯片越來越復雜，開發(fā)成本迅速上升。例如一款旗艦智能手機的最新系統(tǒng)芯片的開發(fā)總成本，可能超過10億美元。而如果衍生品大量重復使用之前的設計，或者在成熟節(jié)點上制造新的更簡單的芯片，開發(fā)成本僅為2000萬至2億美元。3、芯片制造：占整個行業(yè)資本支出的65%晶圓制造約占整個行業(yè)資本支出的65%。專注于半導體制造的公司的資本支出通常相當于其年收入的30~40%。一個最先進的、標準產能的半導體工廠需要大約50億美元（用于先進模擬晶圓廠）到200億美元（用于先進邏輯和存儲晶圓廠）的資本支出。這比新一代航空母艦（130億美元）或一座新核電站（40億~80億美元）的預估成本要高得多。根據特定產品的不同，半導體晶圓的整個制造過程有400到1400個步驟。制造完成半導體晶圓的平均時間（即周期時間）大約是12周，但對于先進工藝，可能需要多達14-20周的時間來完成。

4、后端封測：占整個行業(yè)資本支出的13%專門從事封裝和測試的公司，通常在設施及設備上的投資超過其年收入的15%。總的來說，該環(huán)節(jié)占2019年行業(yè)資本支出總額的13%，主要集中在中國臺灣和大陸，最近也在東南亞地區(qū)建設新的設施。5、EDA&核心IP：占整個行業(yè)研發(fā)支出的3%在設計階段，電子設計自動化（EDA）公司提供復雜的軟件和服務來支持半導體設計。核心IP供應商提供可重用的組件設計的授權許可。EDA和核心IP供應商的研發(fā)投入約占整個行業(yè)研發(fā)支出的3%，約占其收入的30 %~40%。6、設備&工具：占整個行業(yè)研發(fā)支出的9%整體來看，半導體設備制造商供應商占2019年行業(yè)研發(fā)的9%，占其收入的10%~15%。半導體制造使用50多種不同類型的精密晶圓加工和測試設備，由專業(yè)供應商提供，用于制造過程中的每一步。

其中光刻工具代表最大的制造廠商資本支出，可以決定芯片晶圓廠生產的先進程度。在7nm及以下的芯片制造中，一臺EUV機器可耗費1.5億美元。7、材料：占整個行業(yè)資本支出的6%從事半導體制造的公司也依賴于專業(yè)的材料供應商?？傮w而言，2019年材料供應商貢獻了總資本支出的6%，占行業(yè)附加值的5%。全球領先的硅晶片、光敏電阻或氣體供應商的年度資本支出通常占其收入的13%至20%。半導體制造業(yè)使用多達300種不同的材料投入，其中許多也需要先進的技術來生產。

全球前三通常占各領域總收入的50%~90%

根據其集成水平和商業(yè)模式，半導體公司可分為4種類型，分別是集成器件制造商（IDM）、無晶圓廠設計公司（Fabless）、代工廠（Foundry）和外包封測公司（OSAT）。

在制造業(yè)，建設新產能所需的前期投資規(guī)模過大是一個主要障礙。舉例來說，2015年至2019年，五大晶圓代工廠的年資本支出合計約為750億美元，平均每家公司每年30億美元，相當于其年收入的35%以上。半導體設計雖然不需要大量的資本支出，但其高研發(fā)強度也創(chuàng)造了顯著的規(guī)模優(yōu)勢和準入壁壘。2015年至2019年，前5大無晶圓廠設計企業(yè)研發(fā)投入達約680億美元，平均每家企業(yè)每年投入28億美元，相當于其收入的22%。按收入計算，全球10家最大的OSAT公司中有9家的總部位于中國大陸、中國臺灣和新加坡，其中中國大陸和臺灣占全球的60%以上。只有規(guī)模非常大的公司，才能從大規(guī)模投資中獲得令人滿意的回報。這是為什么在半導體供應鏈的不同環(huán)節(jié)中，全球排名前三的公司通常占各自所在領域收入的50%~90%。
中美互為最大的研究合作伙伴

半導體行業(yè)的研發(fā)投資中，很大一部分被用于科學突破的基礎研究上，這些投資要比其潛在的商業(yè)應用之前很多年。在這種競爭前合作方面，半導體公司與研究機構通常會進行合作，來分攤研究成本和避免重復性工作。過去10年，中國和美國是在半導體領域發(fā)表相關科技論文最多的兩個國家。根據該報告對科學出版物的分析顯示，基礎半導體研究往往涉及跨國界合作，中國和美國互為最大的研究合作伙伴。中國研究機構發(fā)表的與半導體相關的科學論文中，36%是與其他國家的研究機構共同撰寫的。在美國機構的出版物中，60%是與其他國家的機構合作撰寫的，中國是最大的合作伙伴，其次是德國和韓國。一些最關鍵的半導體技術進展得益于幾十年來全球研發(fā)合作的結果。比如當前最先進的EUV光刻設備包含約10萬個部件，由遍布全球的5000多家供應商提供。

盡管中國每年提交的半導體學術研究論文和專利數(shù)量是最多的，但美國仍是該行業(yè)最相關創(chuàng)新的源頭：每項美國半導體專利的平均被引用次數(shù)是世界上任何其他國家專利的3~6倍。

海外人才對美國半導體發(fā)展貢獻大

目前大多數(shù)現(xiàn)代半導體中使用的一些最基本的半導體技術突破，包括MOSFET、CMOS制造工藝等，均是由移民到美國的人開發(fā)的。根據安全和新興技術中心（CSET）最近的一項研究，目前美國大約40%的高技能半導體工人出生在美國之外。國際學生占電氣工程和計算機科學研究生的2/3左右，超過80%的學生在完成學位后會留在美國。
半導體行業(yè)吸引人才面臨激烈競爭

人才已經成為半導體行業(yè)的主要關注點，人才短缺的風險可能會限制未來幾年的創(chuàng)新步伐。2017年一項整個供應鏈半導體高管進行的調查顯示，約80%的公司面臨著技術職位候選人的嚴重短缺。在2018年的另一項調查中，64%的受訪者將人才列為威脅其發(fā)展能力的三大風險之一，并且是最高的風險因素。薪資統(tǒng)計數(shù)據還指出了人才供應方面的限制：自2001年以來，美國半導體行業(yè)的薪資增速平均為4.4%，明顯快于整個經濟的薪資增速。半導體行業(yè)還面臨著勞動力老齡化的挑戰(zhàn)，大量現(xiàn)有技術崗位的員工可能在未來10-15年退休。此外，該行業(yè)還需要吸引不同技能的人才，特別是軟件開發(fā)和人工智能方面的人才。從理工科畢業(yè)生全球人才庫的歷史增長來看，似乎難以滿足半導體行業(yè)對人才的需求。

該報告對美國國家科學和工程中心（NCSES）統(tǒng)計的全球數(shù)據進行分析，結果顯示，在半導體供應鏈領先的六大地區(qū)，從2000年到2015年（最近有完整數(shù)據的年份），年增長率為4.5%。科學和工程博士的數(shù)量顯示了相似的增長率。這種增長在不同地區(qū)也有很大差異：中國的人才庫每年增長10%以上，在美國的增長率低于3%。這個全球性人才庫也面臨著激烈的競爭，特別是軟件和消費技術公司數(shù)量的爆炸式增長，增加了半導體行業(yè)吸引留住高技能技術人才的挑戰(zhàn)。
結語：解決供應鏈風險需要政府刺激措施

根據這份報告的分析，雖然地理專業(yè)化促進了創(chuàng)新，并降低了消費者的成本，但它也造成了供應鏈風險，應通過政府刺激措施來提高本土芯片生產，從而解決供應鏈風險。該報告呼吁政府采取以下行動，以提高供應鏈的長期彈性：1、確保國內外公司都享有平等的全球競爭環(huán)境，并強有力地保護知識產權；2、促進研發(fā)和技術標準方面的全球貿易和國際合作；3、投資于基礎研究、STEM教育和勞動力發(fā)展；4、制定先進的移民政策，使領先的全球半導體集群能夠吸引世界一流的人才；5、建立明確、穩(wěn)定的框架，以有針對性地控制半導體貿易，避免對技術和供應商的廣泛單方面限制。總體而言，為了降低全球主要供應中斷的風險，該報告認為美國政府應制定以市場為導向的激勵計劃，以實現(xiàn)更加多元化的地域覆蓋。這些激勵措施應旨在擴大美國的半導體制造能力并擴大某些關鍵材料的供應，例如能滿足美國本土對國防、航空航天和關鍵基礎設施所用先進邏輯芯片的需求。