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(dǎo)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(dǎo)體供應(yīng)鏈的分布特征。這份53頁的《在不確定的時代加強全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈》報告提到，在未來10年，整個半導(dǎo)體供應(yīng)鏈需投資約3萬億美元的研發(fā)和資本支出，半導(dǎo)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(dǎo)體銷售額的20%左右，以開發(fā)越來越復(fù)雜的芯片。

根據(jù)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(dǎo)體制造產(chǎn)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(dǎo)體制造基地。其分析數(shù)據(jù)顯示，要建設(shè)完全自給自足的半導(dǎo)體供應(yīng)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(dǎo)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(shè)足夠替代的產(chǎn)能。此外，報告還展現(xiàn)了全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈研發(fā)及人才現(xiàn)狀。當前在半導(dǎo)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(shù)和專利數(shù)最多，美國半導(dǎo)體專利平均被引用次數(shù)最高，而許多美國半導(dǎo)體技術(shù)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(dǎo)體制造基地

該報告顯示，美國在全球半導(dǎo)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10年，中國有望增加約40%的新產(chǎn)能，成為全球最大半導(dǎo)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(shè)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(dǎo)體制造業(yè)的500億美元投資，有望扭轉(zhuǎn)美國芯片產(chǎn)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(dǎo)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(jīng)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(shè)完全自給自足的半導(dǎo)體供應(yīng)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(dǎo)體供應(yīng)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(dǎo)體行業(yè)總增加值的貢獻均達到或超過8%。

在全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中，各地區(qū)展現(xiàn)著不同的優(yōu)勢，并互相依賴。半導(dǎo)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(chǎn)業(yè)，如電子設(shè)計自動化（EDA）、核心IP、芯片設(shè)計和先進制造方面處于領(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、市場驅(qū)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(chǔ)設(shè)施和熟練的勞動力。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(shè)在每個地區(qū)建設(shè)完全自給自足的本地供應(yīng)鏈的假設(shè)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(dǎo)致半導(dǎo)體價格整體上漲35％至65％，最終導(dǎo)致消費者電子設(shè)備成本上升。

具體來看，按地區(qū)分布，假如要滿足半導(dǎo)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(shè)取代臺灣晶圓廠，至少需投資三年、3500億美元

整個半導(dǎo)體供應(yīng)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(dǎo)體制造能力，以及硅晶片、光刻膠等許多關(guān)鍵材料的供應(yīng)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(dǎo)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(qū)存在可能因自然災(zāi)害、基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)閉或國際沖突而中斷的潛在風(fēng)險，并可能導(dǎo)致基本芯片供應(yīng)嚴重中斷。在極端假設(shè)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(dǎo)致全球電子供應(yīng)鏈停擺，乃至影響到不同電子設(shè)備應(yīng)用市場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(shè)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(shè)足夠的產(chǎn)能來取代臺灣晶圓廠。
美國和中國是全球最大的半導(dǎo)體市場

半導(dǎo)體可分為三類，分別是邏輯（收入占比42%），內(nèi)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(dǎo)體占比最高；在消費電子、PC、ICT基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，邏輯半導(dǎo)體占比偏高；在工業(yè)和汽車應(yīng)用領(lǐng)域，DAO占比更高。

其中，采用10nm以下先進制程的均為邏輯半導(dǎo)體，而DAO在成熟制程產(chǎn)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(dǎo)體需求的來源，一是電子設(shè)備制造商總部所在地，二是設(shè)備制造、組裝地點，三是購買電子設(shè)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(dǎo)體市場。該報告估計，2019年中國消費者和企業(yè)購買的設(shè)備中包含半導(dǎo)體的價值約占全球半導(dǎo)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(shè)備類別中，中國國內(nèi)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(yù)計，中國在全球半導(dǎo)體消費中所占的份額預(yù)計將在未來5年繼續(xù)增長。
半導(dǎo)體供應(yīng)鏈7大環(huán)節(jié)研發(fā)&資本支出分布

半導(dǎo)體創(chuàng)造和生產(chǎn)所涉及的產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈是非常復(fù)雜和全球化的，由研究、設(shè)計、前端制造、后端封測、EDA&核心IP、設(shè)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(dǎo)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，兩個數(shù)字的總和幾乎占同年全球半導(dǎo)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(shù)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(yù)計平均需10-15年的時間。例如，極紫外線（EUV）技術(shù)是最先進的半導(dǎo)體制造節(jié)點的基礎(chǔ)，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(lǐng)先國家，基礎(chǔ)研究通常占總研發(fā)投入的15-20%。例如在美國，基礎(chǔ)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(chǔ)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(shè)計：占整個行業(yè)研發(fā)支出的65%芯片設(shè)計是知識技能密集型業(yè)務(wù)，占整個行業(yè)研發(fā)的65%。專注于芯片設(shè)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(fù)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(fù)使用之前的設(shè)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(dǎo)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(chǎn)能的半導(dǎo)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(yù)估成本要高得多。根據(jù)特定產(chǎn)品的不同，半導(dǎo)體晶圓的整個制造過程有400到1400個步驟。制造完成半導(dǎo)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(shè)施及設(shè)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(shè)新的設(shè)施。5、EDA&核心IP：占整個行業(yè)研發(fā)支出的3%在設(shè)計階段，電子設(shè)計自動化（EDA）公司提供復(fù)雜的軟件和服務(wù)來支持半導(dǎo)體設(shè)計。核心IP供應(yīng)商提供可重用的組件設(shè)計的授權(quán)許可。EDA和核心IP供應(yīng)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(shè)備&工具：占整個行業(yè)研發(fā)支出的9%整體來看，半導(dǎo)體設(shè)備制造商供應(yīng)商占2019年行業(yè)研發(fā)的9%，占其收入的10%~15%。半導(dǎo)體制造使用50多種不同類型的精密晶圓加工和測試設(shè)備，由專業(yè)供應(yīng)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(chǎn)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(dǎo)體制造的公司也依賴于專業(yè)的材料供應(yīng)商?？傮w而言，2019年材料供應(yīng)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(yīng)商的年度資本支出通常占其收入的13%至20%。半導(dǎo)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(shù)來生產(chǎn)。

全球前三通常占各領(lǐng)域總收入的50%~90%

根據(jù)其集成水平和商業(yè)模式，半導(dǎo)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(shè)計公司（Fabless）、代工廠（Foundry）和外包封測公司（OSAT）。

在制造業(yè)，建設(shè)新產(chǎn)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(dǎo)體設(shè)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(shè)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(dǎo)體供應(yīng)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(lǐng)域收入的50%~90%。
中美互為最大的研究合作伙伴

半導(dǎo)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(chǔ)研究上，這些投資要比其潛在的商業(yè)應(yīng)用之前很多年。在這種競爭前合作方面，半導(dǎo)體公司與研究機構(gòu)通常會進行合作，來分攤研究成本和避免重復(fù)性工作。過去10年，中國和美國是在半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)表相關(guān)科技論文最多的兩個國家。根據(jù)該報告對科學(xué)出版物的分析顯示，基礎(chǔ)半導(dǎo)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(gòu)發(fā)表的與半導(dǎo)體相關(guān)的科學(xué)論文中，36%是與其他國家的研究機構(gòu)共同撰寫的。在美國機構(gòu)的出版物中，60%是與其他國家的機構(gòu)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(guān)鍵的半導(dǎo)體技術(shù)進展得益于幾十年來全球研發(fā)合作的結(jié)果。比如當前最先進的EUV光刻設(shè)備包含約10萬個部件，由遍布全球的5000多家供應(yīng)商提供。

盡管中國每年提交的半導(dǎo)體學(xué)術(shù)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(guān)創(chuàng)新的源頭：每項美國半導(dǎo)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(dǎo)體發(fā)展貢獻大

目前大多數(shù)現(xiàn)代半導(dǎo)體中使用的一些最基本的半導(dǎo)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發(fā)的。根據(jù)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(dǎo)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80%的學(xué)生在完成學(xué)位后會留在美國。
半導(dǎo)體行業(yè)吸引人才面臨激烈競爭

人才已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)的主要關(guān)注點，人才短缺的風(fēng)險可能會限制未來幾年的創(chuàng)新步伐。2017年一項整個供應(yīng)鏈半導(dǎo)體高管進行的調(diào)查顯示，約80%的公司面臨著技術(shù)職位候選人的嚴重短缺。在2018年的另一項調(diào)查中，64%的受訪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(tǒng)計數(shù)據(jù)還指出了人才供應(yīng)方面的限制：自2001年以來，美國半導(dǎo)體行業(yè)的薪資增速平均為4.4%，明顯快于整個經(jīng)濟的薪資增速。半導(dǎo)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(shù)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(dǎo)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(tǒng)計的全球數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果顯示，在半導(dǎo)體供應(yīng)鏈領(lǐng)先的六大地區(qū)，從2000年到2015年（最近有完整數(shù)據(jù)的年份），年增長率為4.5%。科學(xué)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(shù)公司數(shù)量的爆炸式增長，增加了半導(dǎo)體行業(yè)吸引留住高技能技術(shù)人才的挑戰(zhàn)。
結(jié)語：解決供應(yīng)鏈風(fēng)險需要政府刺激措施

根據(jù)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(yīng)鏈風(fēng)險，應(yīng)通過政府刺激措施來提高本土芯片生產(chǎn)，從而解決供應(yīng)鏈風(fēng)險。該報告呼吁政府采取以下行動，以提高供應(yīng)鏈的長期彈性：1、確保國內(nèi)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(quán)；2、促進研發(fā)和技術(shù)標準方面的全球貿(mào)易和國際合作；3、投資于基礎(chǔ)研究、STEM教育和勞動力發(fā)展；4、制定先進的移民政策，使領(lǐng)先的全球半導(dǎo)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(dǎo)體貿(mào)易，避免對技術(shù)和供應(yīng)商的廣泛單方面限制。總體而言，為了降低全球主要供應(yīng)中斷的風(fēng)險，該報告認為美國政府應(yīng)制定以市場為導(dǎo)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(yīng)旨在擴大美國的半導(dǎo)體制造能力并擴大某些關(guān)鍵材料的供應(yīng)，例如能滿足美國本土對國防、航空航天和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施所用先進邏輯芯片的需求。