美國SIA最新報告：未來(lái)十年，中國將成全球“芯片工廠(chǎng)”

作者 |  心緣
編輯 |  漠影
芯東西4月27日報道，本月早些時(shí)候，美國半導體行業(yè)協(xié)會(huì )（SIA）與波士頓咨詢(xún)集團（BCG）聯(lián)合發(fā)布了一份研究報告，通過(guò)20多張圖表，詳盡地分析和呈現全球半導體供應鏈的分布特征。這份53頁(yè)的《在不確定的時(shí)代加強全球半導體供應鏈》報告提到，在未來(lái)10年，整個(gè)半導體供應鏈需投資約3萬(wàn)億美元的研發(fā)和資本支出，半導體公司每年需持續研發(fā)投入逾900億美元，相當于全球半導體銷(xiāo)售額的20%左右，以開(kāi)發(fā)越來(lái)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(chǎn)能；如果按照現在的發(fā)展趨勢，中國大陸有望在未來(lái)10年發(fā)展成全球最大的半導體制造基地。其分析數據顯示，要建設完全自給自足的半導體供應鏈，至少需增加1萬(wàn)億美元左右的前期投入，最終會(huì )致使半導體價(jià)格整體上漲35%~65%；假如臺灣晶圓廠(chǎng)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(chǎn)能。此外，報告還展現了全球半導體供應鏈研發(fā)及人才現狀。當前在半導體科研領(lǐng)域，中美互為最大的研究合作伙伴，中國每年提交的論文數和專(zhuān)利數最多，美國半導體專(zhuān)利平均被引用次數最高，而許多美國半導體技術(shù)突破均為海外人才貢獻。

未來(lái)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(chǎn)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(lái)10年，中國有望增加約40%的新產(chǎn)能，成為全球最大半導體制造基地。這背后一大關(guān)鍵因素是經(jīng)濟因素，在美國建設一個(gè)新芯片工廠(chǎng)的10年總擁有成本（TCO）大約比亞洲地區高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(chǎn)量下降的趨勢，并在未來(lái)10年在美國建立多達19家先進(jìn)的邏輯、存儲和模擬半導體制造工廠(chǎng)或晶圓廠(chǎng)。這將直接創(chuàng )造7萬(wàn)個(gè)高薪工作崗位，并在整個(gè)經(jīng)濟中間接創(chuàng )造大約額外的35萬(wàn)個(gè)就業(yè)機會(huì )，即總共超過(guò)40萬(wàn)個(gè)直接和間接就業(yè)機會(huì )。

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(wàn)億美元

該報告認為，當前沒(méi)有一家公司甚至整個(gè)國家能實(shí)現完全的垂直整合。半導體供應鏈是真正全球化的，2019年，六大地區（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(guò)8%。

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

美國在研發(fā)密集型產(chǎn)業(yè)，如電子設計自動(dòng)化（EDA）、核心IP、芯片設計和先進(jìn)制造方面處于領(lǐng)先地位，這得益于其世界一流的大學(xué)、龐大的工程人才庫、市場(chǎng)驅動(dòng)的創(chuàng )新生態(tài)系統。東亞地區（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模資本投資，以及強大的基礎設施和熟練的勞動(dòng)力。中國大陸在裝備、封裝、測試等領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，并正在積極加大投資。

假設在每個(gè)地區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(wàn)億美元（9000億~1.225億美元）的增量前期投資，并導致半導體價(jià)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(lái)看，按地區分布，假如要滿(mǎn)足半導體自給自足，美國需進(jìn)行3500~4200億美元的前期投資，中國大陸需進(jìn)行1750~2500億美元的前期投資。

假設取代臺灣晶圓廠(chǎng)，至少需投資三年、3500億美元

整個(gè)半導體供應鏈上有超過(guò)50個(gè)地區，其中一個(gè)地區擁有超過(guò)65%的全球市場(chǎng)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(guān)鍵材料的供應商，均集中在中國大陸及東亞地區。這些地區易遭受高地震活動(dòng)和地緣政治緊張局勢的影響。另外，全球最先進(jìn)的半導體生產(chǎn)能力（即10nm以下）目前100%位于中國臺灣（占92％）和韓國（占8％）。

這些地區存在可能因自然災害、基礎設施關(guān)閉或國際沖突而中斷的潛在風(fēng)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(chǎng)完全中斷一年，臺灣代工廠(chǎng)將失去420億美元的收入，這可能會(huì )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(chǎng)4900億美元的收入，從而造成嚴重的全球經(jīng)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(shí)間、3500億美元的投資，才能在世界其他地方建設足夠的產(chǎn)能來(lái)取代臺灣晶圓廠(chǎng)。
美國和中國是全球最大的半導體市場(chǎng)

半導體可分為三類(lèi)，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(lǐng)域，模擬半導體占比最高；在消費電子、PC、ICT基礎設施領(lǐng)域，邏輯半導體占比偏高；在工業(yè)和汽車(chē)應用領(lǐng)域，DAO占比更高。

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

從地理分布來(lái)看，有三種不同的方式來(lái)衡量半導體需求的來(lái)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(diǎn)，三是購買(mǎi)電子設備的最終用戶(hù)所在地。

可以看到，美國和中國是全球最大的半導體市場(chǎng)。該報告估計，2019年中國消費者和企業(yè)購買(mǎi)的設備中包含半導體的價(jià)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%）。由于在大多數電子設備類(lèi)別中，中國國內市場(chǎng)的增長(cháng)將比世界其他地區平均高出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(lái)5年繼續增長(cháng)。
半導體供應鏈7大環(huán)節研發(fā)&資本支出分布

半導體創(chuàng )造和生產(chǎn)所涉及的產(chǎn)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(gè)環(huán)節所組成的生態(tài)系統來(lái)支持。

該報告估計，2019年全球半導體產(chǎn)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(gè)數字的總和幾乎占同年全球半導體銷(xiāo)售額（4190億美元）的50%。

1、競爭前研究：占整個(gè)行業(yè)研發(fā)支出的15-20%從一項新技術(shù)方法在一篇研究論文中被引入，到大規模商業(yè)制造中，預計平均需10-15年的時(shí)間。例如，極紫外線(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)實(shí)現，花了近40年的時(shí)間。在大多數領(lǐng)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(guò)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(gè)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(wù)，占整個(gè)行業(yè)研發(fā)的65%。專(zhuān)注于芯片設計的公司，通常會(huì )將年收入的12%~20%用于研發(fā)。隨著(zhù)芯片越來(lái)越復雜，開(kāi)發(fā)成本迅速上升。例如一款旗艦智能手機的最新系統芯片的開(kāi)發(fā)總成本，可能超過(guò)10億美元。而如果衍生品大量重復使用之前的設計，或者在成熟節點(diǎn)上制造新的更簡(jiǎn)單的芯片，開(kāi)發(fā)成本僅為2000萬(wàn)至2億美元。3、芯片制造：占整個(gè)行業(yè)資本支出的65%晶圓制造約占整個(gè)行業(yè)資本支出的65%。專(zhuān)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(gè)最先進(jìn)的、標準產(chǎn)能的半導體工廠(chǎng)需要大約50億美元（用于先進(jìn)模擬晶圓廠(chǎng)）到200億美元（用于先進(jìn)邏輯和存儲晶圓廠(chǎng)）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(chǎn)品的不同，半導體晶圓的整個(gè)制造過(guò)程有400到1400個(gè)步驟。制造完成半導體晶圓的平均時(shí)間（即周期時(shí)間）大約是12周，但對于先進(jìn)工藝，可能需要多達14-20周的時(shí)間來(lái)完成。

4、后端封測：占整個(gè)行業(yè)資本支出的13%專(zhuān)門(mén)從事封裝和測試的公司，通常在設施及設備上的投資超過(guò)其年收入的15%。總的來(lái)說(shuō)，該環(huán)節占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建設新的設施。5、EDA&核心IP：占整個(gè)行業(yè)研發(fā)支出的3%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。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(gè)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(gè)行業(yè)研發(fā)支出的9%整體來(lái)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(lèi)型的精密晶圓加工和測試設備，由專(zhuān)業(yè)供應商提供，用于制造過(guò)程中的每一步。

其中光刻工具代表最大的制造廠(chǎng)商資本支出，可以決定芯片晶圓廠(chǎng)生產(chǎn)的先進(jìn)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(gè)行業(yè)資本支出的6%從事半導體制造的公司也依賴(lài)于專(zhuān)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(lǐng)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(jìn)的技術(shù)來(lái)生產(chǎn)。

全球前三通常占各領(lǐng)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(lèi)型，分別是集成器件制造商（IDM）、無(wú)晶圓廠(chǎng)設計公司（Fabless）、代工廠(chǎng)（Foundry）和外包封測公司（OSAT）。

在制造業(yè)，建設新產(chǎn)能所需的前期投資規模過(guò)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(chǎng)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(zhù)的規模優(yōu)勢和準入壁壘。2015年至2019年，前5大無(wú)晶圓廠(chǎng)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。只有規模非常大的公司，才能從大規模投資中獲得令人滿(mǎn)意的回報。這是為什么在半導體供應鏈的不同環(huán)節中，全球排名前三的公司通常占各自所在領(lǐng)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(xué)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(huì )進(jìn)行合作，來(lái)分攤研究成本和避免重復性工作。過(guò)去10年，中國和美國是在半導體領(lǐng)域發(fā)表相關(guān)科技論文最多的兩個(gè)國家。根據該報告對科學(xué)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(guān)的科學(xué)論文中，36%是與其他國家的研究機構共同撰寫(xiě)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(xiě)的，中國是最大的合作伙伴，其次是德國和韓國。一些最關(guān)鍵的半導體技術(shù)進(jìn)展得益于幾十年來(lái)全球研發(fā)合作的結果。比如當前最先進(jìn)的EUV光刻設備包含約10萬(wàn)個(gè)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(xué)術(shù)研究論文和專(zhuān)利數量是最多的，但美國仍是該行業(yè)最相關(guān)創(chuàng )新的源頭：每項美國半導體專(zhuān)利的平均被引用次數是世界上任何其他國家專(zhuān)利的3~6倍。

海外人才對美國半導體發(fā)展貢獻大

目前大多數現代半導體中使用的一些最基本的半導體技術(shù)突破，包括MOSFET、CMOS制造工藝等，均是由移民到美國的人開(kāi)發(fā)的。根據安全和新興技術(shù)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(xué)生占電氣工程和計算機科學(xué)研究生的2/3左右，超過(guò)80%的學(xué)生在完成學(xué)位后會(huì )留在美國。
半導體行業(yè)吸引人才面臨激烈競爭

人才已經(jīng)成為半導體行業(yè)的主要關(guān)注點(diǎn)，人才短缺的風(fēng)險可能會(huì )限制未來(lái)幾年的創(chuàng )新步伐。2017年一項整個(gè)供應鏈半導體高管進(jìn)行的調查顯示，約80%的公司面臨著(zhù)技術(shù)職位候選人的嚴重短缺。在2018年的另一項調查中，64%的受訪(fǎng)者將人才列為威脅其發(fā)展能力的三大風(fēng)險之一，并且是最高的風(fēng)險因素。薪資統計數據還指出了人才供應方面的限制：自2001年以來(lái)，美國半導體行業(yè)的薪資增速平均為4.4%，明顯快于整個(gè)經(jīng)濟的薪資增速。半導體行業(yè)還面臨著(zhù)勞動(dòng)力老齡化的挑戰，大量現有技術(shù)崗位的員工可能在未來(lái)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(kāi)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(cháng)來(lái)看，似乎難以滿(mǎn)足半導體行業(yè)對人才的需求。

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

根據這份報告的分析，雖然地理專(zhuān)業(yè)化促進(jìn)了創(chuàng )新，并降低了消費者的成本，但它也造成了供應鏈風(fēng)險，應通過(guò)政府刺激措施來(lái)提高本土芯片生產(chǎn)，從而解決供應鏈風(fēng)險。該報告呼吁政府采取以下行動(dòng)，以提高供應鏈的長(cháng)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(chǎn)權；2、促進(jìn)研發(fā)和技術(shù)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(dòng)力發(fā)展；4、制定先進(jìn)的移民政策，使領(lǐng)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、穩定的框架，以有針對性地控制半導體貿易，避免對技術(shù)和供應商的廣泛?jiǎn)畏矫嫦拗啤?/span>總體而言，為了降低全球主要供應中斷的風(fēng)險，該報告認為美國政府應制定以市場(chǎng)為導向的激勵計劃，以實(shí)現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(guān)鍵材料的供應，例如能滿(mǎn)足美國本土對國防、航空航天和關(guān)鍵基礎設施所用先進(jìn)邏輯芯片的需求。