在新時(shí)代強(qiáng)化全球集成電路供應(yīng)鏈（3）

半導(dǎo)體是高度專(zhuān)業(yè)化的元器件，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。今天的半導(dǎo)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(dǎo)體材料（通常是硅）的薄片上。現(xiàn)代的芯片很小，在一個(gè)只有幾平方毫米的區(qū)域里封裝了數(shù)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(dǎo)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(yùn)行的集成電路，作為計(jì)算的基本構(gòu)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(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、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．內(nèi)存（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、模擬器件和其他（DAO）（占行業(yè)收入的32%）

這些半導(dǎo)體傳輸、接收和轉(zhuǎn)換處理溫度和電壓等連續(xù)參數(shù)的信息：

分立器件包括二極管和晶體管，設(shè)計(jì)用于執(zhí)行單一電氣功能。

模擬器件包括電壓調(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)品還包括光電器件，如用于感測(cè)相機(jī)光線的光學(xué)傳感器，以及各種各樣的非光學(xué)傳感器和執(zhí)行器，這些傳感器和執(zhí)行器可以在各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中找到。

半導(dǎo)體應(yīng)用于所有類(lèi)型的電子設(shè)備，跨越經(jīng)濟(jì)的主要領(lǐng)域（圖2）。每個(gè)應(yīng)用市場(chǎng)都需要上述三大類(lèi)半導(dǎo)體。例如，移動(dòng)電話的DAO內(nèi)容（對(duì)于蜂窩連接、照相機(jī)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(nèi)容（包括隨著每一代新電話的出現(xiàn)而提高計(jì)算能力的微處理器）和內(nèi)存（用于在設(shè)備上存儲(chǔ)數(shù)字內(nèi)容）一樣多。全球約65%的半導(dǎo)體收入來(lái)自于跨多個(gè)應(yīng)用程序使用的通用組件。

對(duì)半導(dǎo)體的需求是高度全球化的。不同地區(qū)的半導(dǎo)體需求占全球半導(dǎo)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(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，從地理角度來(lái)看，有三種不同的方法來(lái)衡量半導(dǎo)體需求的來(lái)源，并參考全球電子產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的替代點(diǎn)：

A．電子設(shè)備制造商總部所在地。這些公司是顧客在芯片公司中，購(gòu)買(mǎi)半導(dǎo)體并使用到他們的設(shè)備中。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)他們的產(chǎn)品，并決定使用哪個(gè)供應(yīng)商的組件。例如，在這種方法下，一家總部位于美國(guó)的公司開(kāi)發(fā)的智能手機(jī)中的半導(dǎo)體將按美國(guó)需求計(jì)算，即使該產(chǎn)品可能是在另一個(gè)國(guó)家實(shí)際生產(chǎn)的。

B．設(shè)備制造/組裝地點(diǎn)：原始設(shè)備制造商通常不制造他們的設(shè)備位于總部所在國(guó)或設(shè)計(jì)設(shè)備的工程團(tuán)隊(duì)所在國(guó)。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，通常由通常稱(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)體是元器件，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。

圖3

考慮到電子設(shè)備制造商的位置（標(biāo)準(zhǔn)A），美國(guó)仍占全球半導(dǎo)體總需求的33%，是所有地區(qū)參與率最高的地區(qū)。

2019年，美國(guó)企業(yè)合計(jì)占比在大型個(gè)人電腦、信息和通信基礎(chǔ)設(shè)施（包括數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）應(yīng)用程序市場(chǎng)占有約45%的市場(chǎng)份額，在智能手機(jī)和工業(yè)設(shè)備市場(chǎng)占有30%的市場(chǎng)份額。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)。這個(gè)中國(guó)作為半導(dǎo)體需求的主要來(lái)源國(guó)的崛起，是由其強(qiáng)大的市場(chǎng)力量推動(dòng)的智能手機(jī)、個(gè)人電腦和消費(fèi)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(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)（標(biāo)準(zhǔn)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)中國(guó)市場(chǎng)進(jìn)入中國(guó)的芯片這一中間步驟最終不會(huì)作為中國(guó)最終用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)的產(chǎn)品而被消費(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（標(biāo)準(zhǔn)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)（25%）持平，比歐洲（20%）高出幾個(gè)百分點(diǎn)。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)。

圖4

競(jìng)爭(zhēng)前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)在質(zhì)量上是不同的：這兩種類(lèi)型是互補(bǔ)的，而不是冗余的。事實(shí)上，競(jìng)爭(zhēng)前研究已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)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(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)，隨著時(shí)間的推移，它一直穩(wěn)定在研發(fā)總量的16-19%?；A(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。美國(guó)半導(dǎo)體協(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，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。

圖5

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)。上述SIA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)用研究和開(kāi)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)值鏈中研發(fā)密集度最高的活動(dòng)中所起的主導(dǎo)作用，基礎(chǔ)研究資金缺口的影響可能超出美國(guó)企業(yè)的相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力，并對(duì)整個(gè)行業(yè)保持其歷史創(chuàng)新速度的能力造成風(fēng)險(xiǎn)。

相比之下，中國(guó)正在投入大量資金進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)前研究，作為其努力建設(shè)一個(gè)強(qiáng)大的國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一部分。在過(guò)去的20年里，中國(guó)一直在縮小與美國(guó)在總體研發(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)，2018年，按絕對(duì)值計(jì)算，中國(guó)是全球第二大研發(fā)支出國(guó)：按購(gòu)買(mǎi)力平價(jià)計(jì)算，中國(guó)的研發(fā)投資總額僅比美國(guó)低5%。然而，目前中國(guó)研發(fā)支出中只有約5-6%用于基礎(chǔ)研究，大大低于所有其他研發(fā)投資水平高的國(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)。在資金和資源方面，半導(dǎo)體被列為七個(gè)優(yōu)先領(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，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”），在某些情況下還依賴(lài)于專(zhuān)業(yè)技術(shù)供應(yīng)商提供的外包芯片設(shè)計(jì)服務(wù)。

設(shè)計(jì)活動(dòng)主要是知識(shí)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(dǎo)體設(shè)計(jì)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(xiàn)代復(fù)雜芯片，例如為當(dāng)今智能手機(jī)提供動(dòng)力的“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)還需要利用外部IP和設(shè)計(jì)支持服務(wù)。隨著芯片的日益復(fù)雜，開(kāi)發(fā)成本迅速上升。一種新型的先進(jìn)系統(tǒng)——旗艦智能手機(jī)芯片上系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)總成本，包括處理音頻、視頻或提供高速無(wú)線連接所需的專(zhuān)門(mén)模塊，可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)10億美元。那些重用了以前設(shè)計(jì)的相當(dāng)一部分或新的更簡(jiǎn)單芯片的衍生產(chǎn)品，可以在成熟節(jié)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(dǎo)體制造設(shè)施，通常被稱(chēng)為“Fab”，將納米級(jí)集成電路從芯片設(shè)計(jì)打印到硅晶片。每個(gè)晶圓包含多個(gè)相同設(shè)計(jì)的芯片。每片晶片的實(shí)際芯片數(shù)量取決于特定芯片的大?。核梢栽跒橛?jì)算機(jī)或智能手機(jī)供電的數(shù)百個(gè)大型復(fù)雜處理器之間變化，對(duì)于打算執(zhí)行簡(jiǎn)單功能的小型芯片，可能會(huì)有數(shù)十萬(wàn)個(gè)。

制造工藝的復(fù)雜，需要高度專(zhuān)業(yè)的輸入和設(shè)備，以達(dá)到所需的微型精度。集成電路建在潔凈室，設(shè)計(jì)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(jù)具體產(chǎn)品，半導(dǎo)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(dǎo)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(shù)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(cè)試設(shè)備和工具，經(jīng)過(guò)若干階段（圖6）。這些步驟通常重復(fù)數(shù)百次，這取決于所需電子電路的復(fù)雜性。

制造工藝技術(shù)的進(jìn)展通常通過(guò)“線寬”來(lái)描述?！熬€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(jié)點(diǎn)尺寸越小，芯片的功率越大，因?yàn)榭梢詫⒏嗑w管放置在相同尺寸的區(qū)域?！澳柖伞笔切酒系木w管數(shù)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(xù)提高奠定了基礎(chǔ)。如今，智能手機(jī)、電腦、游戲機(jī)和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上發(fā)現(xiàn)的先進(jìn)處理器都是在5到10納米節(jié)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(jì)劃將于2023年左右開(kāi)始。

盡管用于數(shù)字應(yīng)用的邏輯和存儲(chǔ)器芯片由于與較小節(jié)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(dǎo)體，特別是上述分立、光電、傳感器和模擬半導(dǎo)體，遷移到更小的節(jié)點(diǎn)，并不能達(dá)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(gòu)，這些電路或架構(gòu)在更小型化的線寬上無(wú)法工作。因此，如今大多數(shù)晶圓制造仍然使用較寬的線寬上進(jìn)行，從目前的“領(lǐng)先線寬”5納米用于高級(jí)邏輯，到用于分立、光電、傳感器和模擬半導(dǎo)體的180納米以上的線寬。事實(shí)上，目前全球僅2%產(chǎn)品用10納米以下的線寬（圖7）。

由于生產(chǎn)半導(dǎo)體所需的規(guī)模和復(fù)雜設(shè)備，前端制造業(yè)是高度資本密集型的。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容量的最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造廠需要大約50億美元（對(duì)于高級(jí)模擬制造廠）到200億美元（對(duì)于高級(jí)邏輯和存儲(chǔ)器制造廠）的資本支出，包括土地、建筑和設(shè)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(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%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(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，以便組裝成電子設(shè)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(hù)框架中，并封裝在樹(shù)脂殼中。芯片在運(yùn)到電子設(shè)備制造商之前要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的嚴(yán)格測(cè)試。

供應(yīng)鏈的后端階段仍然需要對(duì)專(zhuān)門(mén)設(shè)施進(jìn)行大量投資。專(zhuān)門(mén)從事裝配、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。它比前端制造階段需要相對(duì)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(xiàn)了行業(yè)增加值總額的6%。主要集中在臺(tái)灣和中國(guó)大陸，最近還在東南亞（馬來(lái)西亞、越南和菲律賓）建造新設(shè)施。

專(zhuān)注于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和生產(chǎn)活動(dòng)的公司得到上游專(zhuān)業(yè)供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)的支持。

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)用集成電路（ASIC）的外包設(shè)計(jì)。在一個(gè)芯片中有數(shù)十億個(gè)晶體管，最先進(jìn)的EDA工具對(duì)于設(shè)計(jì)具有競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)代半導(dǎo)體是必不可少的。

核心IP供應(yīng)商授權(quán)可重用組件設(shè)計(jì)（通常稱(chēng)為“IP塊”或“IP”）具有定義的接口和功能，以便設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)相關(guān)的基礎(chǔ)物理IPS，以及許多接口IPS。EDA和核心IP供應(yīng)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(dǎo)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(cè)試設(shè)備，這些設(shè)備由專(zhuān)業(yè)供應(yīng)商提供(附件8）

光刻工具是制造廠商最大的資本支出之一，它決定了一個(gè)工廠生產(chǎn)芯片的先進(jìn)程度。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)的設(shè)備，需要在7納米及以下制造芯片。一臺(tái)EUV機(jī)器的成本可能是1.5億美元。

計(jì)量和檢驗(yàn)設(shè)備也是半導(dǎo)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(shù)百個(gè)步驟，如果在過(guò)程的早期出現(xiàn)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(fèi)。因此，在半導(dǎo)體制造過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn)，應(yīng)建立嚴(yán)格的計(jì)量和檢驗(yàn)過(guò)程，以確保確定和保持一定的產(chǎn)量。

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)化材料運(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)備還包括許多具有特定功能的子系統(tǒng)和組件，例如光學(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)百個(gè)專(zhuān)門(mén)供應(yīng)商提供。

開(kāi)發(fā)和制造這種先進(jìn)、高精度的制造設(shè)備，也需要大量的研發(fā)投入。半導(dǎo)體制造設(shè)備公司通常將其收入的10%至15%投資于研發(fā)。2019年，半導(dǎo)體設(shè)備制造商供應(yīng)商占研發(fā)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(jì)在90%以上。圖9顯示了2019年全球半導(dǎo)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(xì)。

主要前端材料包括：

多晶硅：是一種冶金級(jí)硅，純度超精，適用于半導(dǎo)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(shè)施內(nèi)的電路壓印做準(zhǔn)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(qū)域組成，這些區(qū)域阻止或允許光線通過(guò)。

光刻膠：一種特殊材料，在光照下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。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(dǎo)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(hù)晶圓免受大氣照射。其他氣體在半導(dǎo)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(jī)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。

后端材料包括引線框架、有機(jī)基板、陶瓷封裝、封裝樹(shù)脂、鍵合線和芯片連接材料。與上述晶圓制造材料相比，它們通常具有相對(duì)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(yīng)商通常占其收入的13%至20%?？偟膩?lái)說(shuō)，2019年，材料供應(yīng)商占總資本支出的6%，占行業(yè)增加值的5%。

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)體行業(yè)呈現(xiàn)出高研發(fā)和高資本密集的雙重態(tài)勢(shì)?？傮w而言，我們估計(jì)，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(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%的行業(yè)研發(fā)投資（不包括競(jìng)爭(zhēng)前研究）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(cè)試、材料甚至設(shè)計(jì)也需要對(duì)先進(jìn)的設(shè)施和設(shè)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(qiáng)度(圖10。）這種極高的投資強(qiáng)度導(dǎo)致需要大規(guī)模的全球規(guī)模和專(zhuān)業(yè)化。

自20世紀(jì)60年代半導(dǎo)體工業(yè)誕生以來(lái)，它的結(jié)構(gòu)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(fù)雜性的急劇增加和對(duì)規(guī)模的需求，使得設(shè)計(jì)（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(xiàn)。

如今，半導(dǎo)體公司可能專(zhuān)注于供應(yīng)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(guó)家，在所有領(lǐng)域都是垂直整合的。根據(jù)集成度和商業(yè)模式的不同，半導(dǎo)體公司有四種類(lèi)型（圖11）：集成器件制造商（IDM）、無(wú)晶圓廠設(shè)計(jì)公司、Foundry和外包組裝和測(cè)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(zhí)行設(shè)計(jì)；制作；以及內(nèi)部組裝、包裝和測(cè)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(dǎo)地位，但在研發(fā)和資本支出方面的投資規(guī)模迅速增加，同時(shí)需要規(guī)模和專(zhuān)業(yè)化，這導(dǎo)致了無(wú)晶圓廠鑄造模式的出現(xiàn)。

目前，IDM模型在專(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，更具可擴(kuò)展性。2019年，IDM約占全球半導(dǎo)體銷(xiāo)售額的70%。

無(wú)晶圓廠的公司選擇專(zhuān)注于設(shè)計(jì)和外包制造以及組裝、封裝和測(cè)試。無(wú)晶圓廠的公司通常將制造外包給純粹的Foundry和OSAT。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著創(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(shè)計(jì)的高水平研發(fā)支出，無(wú)晶圓廠模式隨著對(duì)半導(dǎo)體的需求而發(fā)展。隨著技術(shù)難度和前期投資隨著向小型制造節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移而飆升，無(wú)晶圓廠企業(yè)占半導(dǎo)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)晶圓廠企業(yè)的領(lǐng)域，除了英特爾（Intel），以及最近規(guī)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(jī)和新興前沿應(yīng)用程序在人工智能和高性能計(jì)算領(lǐng)域的快速循環(huán)。

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

撇開(kāi)內(nèi)存不談，F(xiàn)oundry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，F(xiàn)oundry占整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)能力的35%，如果不包括內(nèi)存，則占50%。在使用更先進(jìn)的12英寸/300mm晶圓尺寸的高級(jí)（14納米或以下）和后續(xù)線寬（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納米線寬上生產(chǎn)的僅有兩家公司是Foundry。

OSAT根據(jù)合同向IDM和無(wú)晶圓廠提供封裝和測(cè)試服務(wù)。這部分供應(yīng)鏈最早是由一些美國(guó)IDM在20世紀(jì)60年代開(kāi)始離岸的，因?yàn)樗馁Y本密集度較低，對(duì)低技能勞動(dòng)力的需求也較低。無(wú)晶圓廠模式也導(dǎo)致了專(zhuān)門(mén)的OSAT公司的出現(xiàn)

上述經(jīng)濟(jì)因素，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)，為供應(yīng)鏈核心活動(dòng)的進(jìn)入創(chuàng)造了自然障礙，導(dǎo)致每個(gè)活動(dòng)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(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)，成為進(jìn)入的障礙。例如，前五大無(wú)晶圓廠企業(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(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巨額投資中獲得令人滿(mǎn)意的回報(bào)。這就是為什么在半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的不同活動(dòng)中，全球前三大廠商通常占各自部門(mén)收入的50%至90%。