在新時(shí)代強化全球集成電路供應鏈（3）

半導體是高度專(zhuān)業(yè)化的元器件，為電子設備提供處理、存儲和傳輸數據的基本功能。今天的半導體大多是集成電路，也被稱(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，分層在半導體材料（通常是硅）的薄片上?，F代的芯片很小，在一個(gè)只有幾平方毫米的區域里封裝了數十億個(gè)電子元件。

雖然行業(yè)分類(lèi)法通常描述30多種產(chǎn)品類(lèi)別，但半導體可分為三大類(lèi)：

1．邏輯器件（占行業(yè)收入的42%）

這些是在二進(jìn)制代碼（0和1）上運行的集成電路，作為計算的基本構建塊或“大腦”：

微處理器是諸如中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）和應用處理器（AP）等邏輯產(chǎn)品，它們處理存儲在內存設備上的固定指令以執行復雜的計算操作。應用程序包括移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人電腦、服務(wù)器、人工智能系統和超級計算機的處理器。

通用邏輯產(chǎn)品，如現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）不包含任何預先固定的指令，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算機。微控制器包含一個(gè)或多個(gè)處理器核心以及存儲器和可編程輸入/輸出外圍設備。MCU在汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化設備或家用電器等無(wú)數電子產(chǎn)品中執行基本的計算任務(wù)。

連接產(chǎn)品，如蜂窩調制解調器、WiFi或藍牙芯片或以太網(wǎng)控制器，允許電子設備連接到無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )以傳輸或接收數據。

2．內存（占行業(yè)收入的26%）

這些半導體用于存儲執行任何計算所需的信息。計算機處理存儲在內存中的信息，內存由各種數據存儲或存儲設備組成。目前最常用的兩種半導體存儲器是動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）和NAND存儲器：

DRAM用于存儲計算機處理器運行所需的數據或程序代碼。它通常存在于個(gè)人電腦（PC）和服務(wù)器中。智能手機也在不斷增加所需的DRAM內容，高級駕駛輔助系統（ADAS）等汽車(chē)電子應用對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)保留數據，所以它被用于永久存儲。典型應用包括用作筆記本電腦硬盤(pán)驅動(dòng)器的固態(tài)驅動(dòng)器（SSD）或用于便攜式設備的安全數字（SD）卡。

3. 分立、模擬器件和其他（DAO）（占行業(yè)收入的32%）

這些半導體傳輸、接收和轉換處理溫度和電壓等連續參數的信息：

分立器件包括二極管和晶體管，設計用于執行單一電氣功能。

模擬器件包括電壓調節器和數據轉換器，可將來(lái)自語(yǔ)音等源的模擬信號轉換為數字信號。這一類(lèi)還包括任何類(lèi)型的電子設備中的電源管理集成電路，以及使智能手機能夠接收和處理來(lái)自蜂窩網(wǎng)絡(luò )基站的無(wú)線(xiàn)電信號的射頻（RF）半導體。

其他產(chǎn)品還包括光電器件，如用于感測相機光線(xiàn)的光學(xué)傳感器，以及各種各樣的非光學(xué)傳感器和執行器，這些傳感器和執行器可以在各種物聯(lián)網(wǎng)設備中找到。

半導體應用于所有類(lèi)型的電子設備，跨越經(jīng)濟的主要領(lǐng)域（圖2）。每個(gè)應用市場(chǎng)都需要上述三大類(lèi)半導體。例如，移動(dòng)電話(huà)的DAO內容（對于蜂窩連接、照相機和功率管理等功能來(lái)說(shuō)是必不可少的）實(shí)際上與邏輯內容（包括隨著(zhù)每一代新電話(huà)的出現而提高計算能力的微處理器）和內存（用于在設備上存儲數字內容）一樣多。全球約65%的半導體收入來(lái)自于跨多個(gè)應用程序使用的通用組件。

對半導體的需求是高度全球化的。不同地區的半導體需求占全球半導體需求的份額不同，這取決于需求來(lái)源地的定義。雖然半導體通常由電子設備制造商采購，以制造其產(chǎn)品，但最終半導體需求是由購買(mǎi)這些設備的最終用戶(hù)驅動(dòng)的。這就是為什么，從地理角度來(lái)看，有三種不同的方法來(lái)衡量半導體需求的來(lái)源，并參考全球電子產(chǎn)品供應鏈中的替代點(diǎn)：

A．電子設備制造商總部所在地。這些公司是顧客在芯片公司中，購買(mǎi)半導體并使用到他們的設備中。電子設備制造商-通常被稱(chēng)為原始設備制造商（OEM）-通常設計他們的產(chǎn)品，并決定使用哪個(gè)供應商的組件。例如，在這種方法下，一家總部位于美國的公司開(kāi)發(fā)的智能手機中的半導體將按美國需求計算，即使該產(chǎn)品可能是在另一個(gè)國家實(shí)際生產(chǎn)的。

B．設備制造/組裝地點(diǎn)：原始設備制造商通常不制造他們的設備位于總部所在國或設計設備的工程團隊所在國。相反，這些設備通常由位于不同國家或許多不同國家的制造廠(chǎng)組裝，通常由通常稱(chēng)為原始設備制造商（ODM）或電子制造服務(wù)（EMS）的其他公司組裝。這是成品半導體需要實(shí)際運送到的地點(diǎn)。例如，采用這種方法，一家美國公司設計的智能手機中的芯片，實(shí)際上是一家臺灣承包商在中國大陸的工廠(chǎng)制造的，將被計算為中國的需求。

C．購買(mǎi)電子設備的最終用戶(hù)的位置?？紤]到半導體是元器件，半導體需求最終是由向最終用戶(hù)（包括消費者和企業(yè)）銷(xiāo)售電子設備驅動(dòng)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能手機所含芯片的價(jià)值將分布在全球所有這些智能手機銷(xiāo)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布，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(yè)中扮演的不同角色。

圖3

考慮到電子設備制造商的位置（標準A），美國仍占全球半導體總需求的33%，是所有地區參與率最高的地區。

2019年，美國企業(yè)合計占比在大型個(gè)人電腦、信息和通信基礎設施（包括數據中心和網(wǎng)絡(luò )設備）應用程序市場(chǎng)占有約45%的市場(chǎng)份額，在智能手機和工業(yè)設備市場(chǎng)占有30%的市場(chǎng)份額。在過(guò)去10年里，中國的參與度增加了兩倍，現在已經(jīng)成為第二個(gè)明顯的地區。這個(gè)中國作為半導體需求的主要來(lái)源國的崛起，是由其強大的市場(chǎng)力量推動(dòng)的智能手機、個(gè)人電腦和消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域的本土公司：華為、聯(lián)想、小米和Oppo/Vivo等公司不僅在中國國內市場(chǎng)銷(xiāo)售產(chǎn)品，而且是其他市場(chǎng)的主要競爭對手。

根據終端電子設備制造/裝配位置標準（標準B），中國是排名第一的地區，反映了中國在電子制造業(yè)，特別是智能手機和消費電子產(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)中國市場(chǎng)進(jìn)入中國的芯片這一中間步驟最終不會(huì )作為中國最終用戶(hù)購買(mǎi)的產(chǎn)品而被消費，而是作為中國制造設備的零部件再運往海外，出口到其他國家。

聚焦于設備有效銷(xiāo)售給最終用戶(hù)的地方（標準C）顯示了半導體需求最終來(lái)自何處。根據不同應用類(lèi)型的可用市場(chǎng)數據，我們估計中國消費者和企業(yè)購買(mǎi)的設備中包含的半導體含量?jì)r(jià)值約占2019年全球半導體收入的24%，幾乎與美國（25%）持平，比歐洲（20%）高出幾個(gè)百分點(diǎn)。然而，中國在全球半導體消費中所占的份額預計在未來(lái)5年內將繼續增加，因為分析師預測，在大多數電子設備類(lèi)別中，中國國內市場(chǎng)的增長(cháng)將超過(guò)世界其他地區平均4-5個(gè)百分點(diǎn)。

圖4

競爭前研究的目的是確定基礎材料和化學(xué)工藝，以在設計架構和制造技術(shù)方面進(jìn)行創(chuàng )新，從而實(shí)現計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)域的基礎研究，其成果通常在科學(xué)界廣泛發(fā)表和分享，區別于專(zhuān)利研究和工業(yè)開(kāi)發(fā)、設計和生產(chǎn)。競爭前基礎研究與行業(yè)研發(fā)在質(zhì)量上是不同的：這兩種類(lèi)型是互補的，而不是冗余的。事實(shí)上，競爭前研究已經(jīng)被發(fā)現可以刺激和吸引產(chǎn)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模商業(yè)制造的平均時(shí)間估計約為10-15年，但這可能比實(shí)現當前前沿技術(shù)的科學(xué)突破要長(cháng)得多。例如，極端紫外線(xiàn)（EUV）技術(shù)是最先進(jìn)的半導體制造節點(diǎn)的基礎，從早期的概念演示到在晶圓廠(chǎng)的商業(yè)化實(shí)施，幾乎用了40年時(shí)間。

雖然沒(méi)有半導體行業(yè)的可用數據，但在大多數領(lǐng)先國家，基礎研究通常占總體研發(fā)投資的15-20%。例如，在美國，隨著(zhù)時(shí)間的推移，它一直穩定在研發(fā)總量的16-19%?；A研究由來(lái)自私營(yíng)公司、大學(xué)、政府資助的國家實(shí)驗室和其他獨立研究機構的科學(xué)家組成的全球網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行，這些機構在聯(lián)合研究工作中進(jìn)行合作。

特別是，政府在推進(jìn)基礎研究方面發(fā)揮著(zhù)非常重要的作用。美國半導體協(xié)會(huì )（SIA）先前對聯(lián)邦研發(fā)的一項研究確定了8項重大的半導體技術(shù)突破，這些突破來(lái)自政府資助的研究項目。例如，砷化鎵（GaAs）晶體管使智能手機能夠建立到蜂窩塔的無(wú)線(xiàn)通信鏈路，是在20世紀80年代末國防部的微波和毫米波集成電路（MIMIC）計劃中發(fā)明的。

對美國所有行業(yè)的研發(fā)總投資進(jìn)行分析，可以對競爭前研究的規模和獨特特征提供一些見(jiàn)解。根據美國國家科學(xué)基金會(huì )（National Science Foundation）收集的數據，美國聯(lián)邦政府是基礎研究的主要貢獻者，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構，其余28%來(lái)自公司。相比之下，私營(yíng)企業(yè)在應用研究和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的份額接近80%，而應用研究和開(kāi)發(fā)通常是在基礎研究取得突破之后進(jìn)行的。

圖5

美國對半導體基礎研究的資助似乎遠遠落后于應用研發(fā)的增長(cháng)。上述SIA研究發(fā)現，2018年美國聯(lián)邦政府對半導體相關(guān)研發(fā)（包括基礎研究、應用研究和開(kāi)發(fā)）的總體投資僅占美國半導體研發(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，盡管美國私人對半導體研發(fā)的投資占GDP的比例增長(cháng)了近10倍，但聯(lián)邦政府的投資卻一直持平。鑒于美國目前在整個(gè)半導體價(jià)值鏈中研發(fā)密集度最高的活動(dòng)中所起的主導作用，基礎研究資金缺口的影響可能超出美國企業(yè)的相對競爭力，并對整個(gè)行業(yè)保持其歷史創(chuàng )新速度的能力造成風(fēng)險。

相比之下，中國正在投入大量資金進(jìn)行競爭前研究，作為其努力建設一個(gè)強大的國內半導體產(chǎn)業(yè)的一部分。在過(guò)去的20年里，中國一直在縮小與美國在總體研發(fā)支出上的差距。根據經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）的數據，2018年，按絕對值計算，中國是全球第二大研發(fā)支出國：按購買(mǎi)力平價(jià)計算，中國的研發(fā)投資總額僅比美國低5%。然而，目前中國研發(fā)支出中只有約5-6%用于基礎研究，大大低于所有其他研發(fā)投資水平高的國家。

中國3月份宣布的新的2021-25年五年計劃明確將推進(jìn)基礎研究列為一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)先事項。到2021年，中央政府的基礎研究支出將增長(cháng)11%，遠遠高于總體研發(fā)投資計劃的7%和GDP增長(cháng)6%的目標。在資金和資源方面，半導體被列為七個(gè)優(yōu)先領(lǐng)域之一。

參與設計的公司開(kāi)發(fā)納米級集成電路，如計算、存儲、網(wǎng)絡(luò )連接和電源管理。設計依賴(lài)于高度先進(jìn)的電子設計自動(dòng)化（EDA）軟件和可重用的體系結構構建塊（“IP核”），在某些情況下還依賴(lài)于專(zhuān)業(yè)技術(shù)供應商提供的外包芯片設計服務(wù)。

設計活動(dòng)主要是知識和技能密集型的：它占整個(gè)工業(yè)研發(fā)的65%，占增值的53%。事實(shí)上，專(zhuān)注于半導體設計的公司通常會(huì )將其年收入的12%至20%投資于研發(fā)。開(kāi)發(fā)現代復雜芯片，例如為當今智能手機提供動(dòng)力的“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(shí)還需要利用外部IP和設計支持服務(wù)。隨著(zhù)芯片的日益復雜，開(kāi)發(fā)成本迅速上升。一種新型的先進(jìn)系統——旗艦智能手機芯片上系統的開(kāi)發(fā)總成本，包括處理音頻、視頻或提供高速無(wú)線(xiàn)連接所需的專(zhuān)門(mén)模塊，可能遠遠超過(guò)10億美元。那些重用了以前設計的相當一部分或新的更簡(jiǎn)單芯片的衍生產(chǎn)品，可以在成熟節點(diǎn)中制造，開(kāi)發(fā)成本僅為2000萬(wàn)至2億美元。

高度專(zhuān)業(yè)的半導體制造設施，通常被稱(chēng)為“Fab”，將納米級集成電路從芯片設計打印到硅晶片。每個(gè)晶圓包含多個(gè)相同設計的芯片。每片晶片的實(shí)際芯片數量取決于特定芯片的大?。核梢栽跒橛嬎銠C或智能手機供電的數百個(gè)大型復雜處理器之間變化，對于打算執行簡(jiǎn)單功能的小型芯片，可能會(huì )有數十萬(wàn)個(gè)。

制造工藝的復雜，需要高度專(zhuān)業(yè)的輸入和設備，以達到所需的微型精度。集成電路建在潔凈室，設計用于保持無(wú)菌條件，以防止空氣中的顆粒污染，從而改變形成電子電路的材料的特性。

根據具體產(chǎn)品，半導體晶片的整體制造過(guò)程有400至1400個(gè)步驟。制造成品半導體晶片的平均時(shí)間，稱(chēng)為周期時(shí)間，大約為12周，但完成先進(jìn)工藝需要14-20周。它利用了數百種不同的投入，包括原晶圓、一般化學(xué)品、特殊化學(xué)品以及許多不同類(lèi)型的加工和測試設備和工具，經(jīng)過(guò)若干階段（圖6）。這些步驟通常重復數百次，這取決于所需電子電路的復雜性。

制造工藝技術(shù)的進(jìn)展通常通過(guò)“線(xiàn)寬”來(lái)描述?！熬€(xiàn)寬”一詞是指電子電路中晶體管門(mén)的納米尺寸。一般來(lái)說(shuō)，節點(diǎn)尺寸越小，芯片的功率越大，因為可以將更多晶體管放置在相同尺寸的區域?！澳柖伞笔切酒系木w管數量每18到24個(gè)月翻一番，但價(jià)格降低一半。摩爾定律為處理器自1965年以來(lái)性能和成本的持續提高奠定了基礎。如今，智能手機、電腦、游戲機和數據中心服務(wù)器上發(fā)現的先進(jìn)處理器都是在5到10納米節點(diǎn)上制造的。利用3納米工藝技術(shù)制造商業(yè)芯片的計劃將于2023年左右開(kāi)始。

盡管用于數字應用的邏輯和存儲器芯片由于與較小節點(diǎn)相關(guān)的晶體管尺寸的縮放而受益匪淺，但其他類(lèi)型的半導體，特別是上述分立、光電、傳感器和模擬半導體，遷移到更小的節點(diǎn)，并不能達到相同的性能和成本效益，或者簡(jiǎn)單地使用不同類(lèi)型的電路或架構，這些電路或架構在更小型化的線(xiàn)寬上無(wú)法工作。因此，如今大多數晶圓制造仍然使用較寬的線(xiàn)寬上進(jìn)行，從目前的“領(lǐng)先線(xiàn)寬”5納米用于高級邏輯，到用于分立、光電、傳感器和模擬半導體的180納米以上的線(xiàn)寬。事實(shí)上，目前全球僅2%產(chǎn)品用10納米以下的線(xiàn)寬（圖7）。

由于生產(chǎn)半導體所需的規模和復雜設備，前端制造業(yè)是高度資本密集型的。一個(gè)標準容量的最先進(jìn)的半導體制造廠(chǎng)需要大約50億美元（對于高級模擬制造廠(chǎng)）到200億美元（對于高級邏輯和存儲器制造廠(chǎng)）的資本支出，包括土地、建筑和設備。例如，這大大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）的估計成本。專(zhuān)注于半導體制造的公司的資本支出通常占其年收入的30%至40%。因此，晶圓制造約占整個(gè)產(chǎn)業(yè)資本支出的65%和增加值的25%。主要集中在東亞（臺灣、韓國和日本）和中國大陸。

這一階段包括將晶圓廠(chǎng)生產(chǎn)的硅片轉換成成品芯片，以便組裝成電子設備。參與這一階段的公司首先將硅片切成單個(gè)芯片。然后芯片被包裝到保護框架中，并封裝在樹(shù)脂殼中。芯片在運到電子設備制造商之前要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的嚴格測試。

供應鏈的后端階段仍然需要對專(zhuān)門(mén)設施進(jìn)行大量投資。專(zhuān)門(mén)從事裝配、封裝和測試的公司通常將其年收入的15%以上投資于設施和設備。它比前端制造階段需要相對較少的資本密集型和雇用更多的勞動(dòng)力，但新的創(chuàng )新先進(jìn)的封裝制造正在改變這一業(yè)態(tài)?？傮w而言，2019年，該活動(dòng)占行業(yè)資本支出總額的13%，貢獻了行業(yè)增加值總額的6%。主要集中在臺灣和中國大陸，最近還在東南亞（馬來(lái)西亞、越南和菲律賓）建造新設施。

專(zhuān)注于半導體設計和生產(chǎn)活動(dòng)的公司得到上游專(zhuān)業(yè)供應商生態(tài)系統的支持。

在設計階段，電子設計自動(dòng)化（EDA）公司提供復雜的軟件和服務(wù)來(lái)支持半導體設計，包括專(zhuān)用集成電路（ASIC）的外包設計。在一個(gè)芯片中有數十億個(gè)晶體管，最先進(jìn)的EDA工具對于設計具有競爭力的現代半導體是必不可少的。

核心IP供應商授權可重用組件設計（通常稱(chēng)為“IP塊”或“IP”）具有定義的接口和功能，以便設計公司將其集成到芯片布局中。這些還包括與每個(gè)制造過(guò)程節點(diǎn)相關(guān)的基礎物理IPS，以及許多接口IPS。EDA和核心IP供應商在研發(fā)方面投入了大量資金，約占其收入的30%至40%，并在2019年約占行業(yè)增加值的4%。

半導體制造業(yè)在制造過(guò)程中的每一步都使用50多種不同類(lèi)型的精密晶圓加工和測試設備，這些設備由專(zhuān)業(yè)供應商提供(附件8）

光刻工具是制造廠(chǎng)商最大的資本支出之一，它決定了一個(gè)工廠(chǎng)生產(chǎn)芯片的先進(jìn)程度。先進(jìn)的光刻設備，特別是那些利用極端紫外線(xiàn)（EUV）技術(shù)的設備，需要在7納米及以下制造芯片。一臺EUV機器的成本可能是1.5億美元。

計量和檢驗設備也是半導體制造過(guò)程管理的關(guān)鍵。由于該過(guò)程涉及一到兩個(gè)月的數百個(gè)步驟，如果在過(guò)程的早期出現任何缺陷，則在隨后耗時(shí)步驟中所進(jìn)行的所有工作將被浪費。因此，在半導體制造過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn)，應建立嚴格的計量和檢驗過(guò)程，以確保確定和保持一定的產(chǎn)量。

現代工廠(chǎng)還擁有先進(jìn)的自動(dòng)化和過(guò)程控制系統，用于直接設備控制、自動(dòng)化材料運輸和實(shí)時(shí)批量調度，許多最新的設施幾乎完全自動(dòng)化。

半導體制造設備還包括許多具有特定功能的子系統和組件，例如光學(xué)或真空子系統、氣體和流體管理、熱管理或晶圓處理。這些子系統由數百個(gè)專(zhuān)門(mén)供應商提供。

開(kāi)發(fā)和制造這種先進(jìn)、高精度的制造設備，也需要大量的研發(fā)投入。半導體制造設備公司通常將其收入的10%至15%投資于研發(fā)。2019年，半導體設備制造商供應商占研發(fā)的9%，占行業(yè)增加值的11%。

最后，參與半導體制造的公司也依賴(lài)于專(zhuān)業(yè)的材料供應商。半導體制造業(yè)使用多達300種不同的輸入，其中許多輸入同時(shí)也需要先進(jìn)的技術(shù)來(lái)生產(chǎn)。例如，用于制造隨后切片成晶圓的硅錠所用多晶硅的純度水平要求比太陽(yáng)能板所需水平高1000倍，主要由4家公司提供，全球市場(chǎng)份額合計在90%以上。圖9顯示了2019年全球半導體制造材料在前端和后端制造中使用的關(guān)鍵系列的銷(xiāo)售明細。

主要前端材料包括：

多晶硅：是一種冶金級硅，純度超精，適用于半導體晶圓生產(chǎn)。

硅片：多晶硅被熔化，形成單晶錠，然后被切成薄片，清潔，拋光，氧化，為在制造設施內的電路壓印做準備。

光刻掩模：平版印刷過(guò)程中用的一種覆蓋有圖案的印版。這些圖案由不透明和透明的區域組成，這些區域阻止或允許光線(xiàn)通過(guò)。

光刻膠：一種特殊材料，在光照下發(fā)生化學(xué)反應。硅片上覆蓋有光刻膠層，光刻膠層在光刻過(guò)程中壓印有光掩模中包含的圖案。

濕加工化學(xué)品：用于半導體制造過(guò)程中的蝕刻和清洗步驟，包括溶劑、酸、蝕刻劑、剝離劑和其他產(chǎn)品。

氣體：用于保護晶圓免受大氣照射。其他氣體在半導體制造過(guò)程中用作摻雜劑、干蝕刻劑和化學(xué)氣相沉積（CVD）。

化學(xué)機械平坦化（CMP）泥漿：

用于在薄膜沉積步驟后拋光晶圓表面以提供平坦表面的材料。

后端材料包括引線(xiàn)框架、有機基板、陶瓷封裝、封裝樹(shù)脂、鍵合線(xiàn)和芯片連接材料。與上述晶圓制造材料相比，它們通常具有相對較低的生產(chǎn)技術(shù)壁壘。

這些高度專(zhuān)業(yè)化材料的生產(chǎn)是在大型工廠(chǎng)進(jìn)行的，這也需要高投資。年度資本支出中硅片、光刻膠或氣體的全球供應商通常占其收入的13%至20%?？偟膩?lái)說(shuō)，2019年，材料供應商占總資本支出的6%，占行業(yè)增加值的5%。

半導體是設計和制造非常復雜的產(chǎn)品。因此，半導體行業(yè)呈現出高研發(fā)和高資本密集的雙重態(tài)勢?？傮w而言，我們估計，2019年，該行業(yè)在全球價(jià)值鏈所有活動(dòng)中的研發(fā)投資約為900億美元，資本支出約為1100億美元。這兩個(gè)數字加起來(lái)幾乎占同年全球半導體銷(xiāo)售額4190億美元的50%。

如上圖4所示，雖然65%的行業(yè)研發(fā)投資（不包括競爭前研究）是在價(jià)值鏈的設計層進(jìn)行的，但在EDA和核心IP、半導體設備和晶圓制造方面也有重要的研發(fā)活動(dòng)。同樣，晶圓制造業(yè)占整個(gè)產(chǎn)業(yè)資本支出的65%，但組裝和測試、材料甚至設計也需要對先進(jìn)的設施和設備進(jìn)行大量投資。

考慮到企業(yè)在整個(gè)全球價(jià)值鏈上的投資，沒(méi)有任何一個(gè)行業(yè)在研發(fā)（占芯片總收入的22%，領(lǐng)先于制藥）和資本支出（占芯片總收入的26%，領(lǐng)先于公用事業(yè)）方面具有相同的高強度(圖10。）這種極高的投資強度導致需要大規模的全球規模和專(zhuān)業(yè)化。

自20世紀60年代半導體工業(yè)誕生以來(lái)，它的結構已經(jīng)從最初的只有垂直整合的公司進(jìn)行所有生產(chǎn)階段的形式演變而來(lái)。技術(shù)復雜性的急劇增加和對規模的需求，使得設計（以研發(fā)的形式）和制造（以資本支出的形式）需要大量投資來(lái)保持創(chuàng )新的步伐，這有利于專(zhuān)業(yè)參與者的出現。

如今，半導體公司可能專(zhuān)注于供應鏈的一個(gè)層面，或者跨多個(gè)層面進(jìn)行垂直整合。沒(méi)有一家公司，甚至整個(gè)國家，在所有領(lǐng)域都是垂直整合的。根據集成度和商業(yè)模式的不同，半導體公司有四種類(lèi)型（圖11）：集成器件制造商（IDM）、無(wú)晶圓廠(chǎng)設計公司、Foundry和外包組裝和測試公司（OSAT）。

圖11

IDM跨價(jià)值鏈的多個(gè)部分進(jìn)行垂直整合，執行設計；制作；以及內部組裝、包裝和測試活動(dòng)。在實(shí)踐中，一些IDM有混合的“Fab-lite”模型，它們將一些生產(chǎn)和裝配外包出去。

在該行業(yè)的最初幾十年中，IDM模式占主導地位，但在研發(fā)和資本支出方面的投資規模迅速增加，同時(shí)需要規模和專(zhuān)業(yè)化，這導致了無(wú)晶圓廠(chǎng)鑄造模式的出現。

目前，IDM模型在專(zhuān)注于內存和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，更具可擴展性。2019年，IDM約占全球半導體銷(xiāo)售額的70%。

無(wú)晶圓廠(chǎng)的公司選擇專(zhuān)注于設計和外包制造以及組裝、封裝和測試。無(wú)晶圓廠(chǎng)的公司通常將制造外包給純粹的Foundry和OSAT。自20世紀90年代以來(lái)，隨著(zhù)創(chuàng )新步伐的加快，許多公司越來(lái)越難以管理制造業(yè)的資本密集度和設計的高水平研發(fā)支出，無(wú)晶圓廠(chǎng)模式隨著(zhù)對半導體的需求而發(fā)展。隨著(zhù)技術(shù)難度和前期投資隨著(zhù)向小型制造節點(diǎn)的轉移而飆升，無(wú)晶圓廠(chǎng)企業(yè)占半導體銷(xiāo)售總額的比例從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(chǎng)企業(yè)的領(lǐng)域，除了英特爾（Intel），以及最近規模較小的三星（Samsung）。這一動(dòng)態(tài)是由于市場(chǎng)要求提高功率和性能能力，以支持智能手機和新興前沿應用程序在人工智能和高性能計算領(lǐng)域的快速循環(huán)。

Foundry解決了無(wú)晶圓廠(chǎng)企業(yè)和IDM的制造需求，因為大多數IDM沒(méi)有足夠的內部安裝制造能力來(lái)滿(mǎn)足其所有需求。這種商業(yè)模式使鑄造廠(chǎng)能夠分散與大型前期資本支出相關(guān)的風(fēng)險，這些資本支出是在設計公司和IDM的更大客戶(hù)范圍內建立現代工廠(chǎng)所需的。大多數Foundry只專(zhuān)注于為第三方制造芯片，盡管一些具有強大制造能力的IDM除了自己的芯片外，也可能選擇為其他廠(chǎng)商制造芯片。

撇開(kāi)內存不談，Foundry在過(guò)去五年中為DAO和邏輯產(chǎn)品增加了60%的行業(yè)增量產(chǎn)能。目前，Foundry占整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)能力的35%，如果不包括內存，則占50%。在使用更先進(jìn)的12英寸/300mm晶圓尺寸的高級（14納米或以下）和后續線(xiàn)寬（20到60納米）中，它們的份額上升到78%。此外，目前能在領(lǐng)先的5納米線(xiàn)寬上生產(chǎn)的僅有兩家公司是Foundry。

OSAT根據合同向IDM和無(wú)晶圓廠(chǎng)提供封裝和測試服務(wù)。這部分供應鏈最早是由一些美國IDM在20世紀60年代開(kāi)始離岸的，因為它的資本密集度較低，對低技能勞動(dòng)力的需求也較低。無(wú)晶圓廠(chǎng)模式也導致了專(zhuān)門(mén)的OSAT公司的出現

上述經(jīng)濟因素，加上生產(chǎn)半導體所需的復雜技術(shù)方面的深厚專(zhuān)業(yè)知識，為供應鏈核心活動(dòng)的進(jìn)入創(chuàng )造了自然障礙，導致每個(gè)活動(dòng)的供應商基礎相對集中。

在制造業(yè)，建設新產(chǎn)能所需的前期投資規模之大作為一個(gè)主要的障礙。舉例來(lái)說(shuō)，2015年至2019年間，前五大鑄造廠(chǎng)的年度資本支出總額約為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。

雖然半導體設計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(zhù)的規模優(yōu)勢，成為進(jìn)入的障礙。例如，前五大無(wú)晶圓廠(chǎng)企業(yè)在2015年至2019年的5年間，在研發(fā)方面投入了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%。

只有規模非常大的公司才有可能從這些巨額投資中獲得令人滿(mǎn)意的回報。這就是為什么在半導體供應鏈的不同活動(dòng)中，全球前三大廠(chǎng)商通常占各自部門(mén)收入的50%至90%。