芯東西（公衆號：aichip001）
編譯 | 心緣
編輯 | 漠影
芯東西6月21日報道，兩周前，美國白宮發布了一份長達250頁的關鍵産品供應鏈百日評估報告，指出美國供應鏈存在的一系列漏洞。
該報告建議美國國會支持至少500億美元的投資，來爲美國本土半導體制造和研發提供專用資金，並建議美國政府成立一個新的供應鏈中斷工作小組，幫助緩解瓶頸和供應限制問題。
在報告的第四章節，美國商務部用約60頁來分析全球半導體供應鏈局勢，尤其考察設計、制造、後端ATP、材料、制造設備這五大半導體供應鏈關鍵環節，並對全球半導體産業核心地區的補貼及激勵措施加以彙總。我們對其中的關鍵信息進行編譯及梳理，以供參考。
一、一個半導體産品可能跨越70次國際邊界
美國在全球半導體制造中所占份額已經從1990年的37%下降到現在的12%，如果沒有一個全面的美國戰略來支持，該數字預計還會進一步下降。
典型的半導體生産過程涉及多國，産品可能跨越70次國際邊界，整個過程需要長達100天，其中12天是供應鏈步驟之間的中轉。下圖是供應鏈的程式化表示。
目前，美國的半導體設計生態系統處于世界領先地位，但高度依賴對中國的銷售和有限的IP、勞動力及制造資源。
美國半導體行業協會（SIA）估計，2020年美國半導體行業的年銷售額爲2080億美元，占據了全球半導體市場的近一半，是美國第四大主要出口産品。
美國半導體制造能力則相對欠缺，前沿邏輯芯片主要依靠中國台灣，成熟節點芯片需求主要依賴中國台灣、韓國和中國大陸。同樣，其封測也嚴重依賴亞洲企業。
SIA估計，如果台灣芯片代工廠的邏輯芯片生産中斷，可能導致依賴芯片供應的電子設備制造商損失近5000億美元的收入。
半導體生産需要數百種材料，許多用于半導體的氣體和濕式化學品是在美國生産的，但對于美國來說，海外供應商主導了硅晶圓、光掩膜和光刻膠的市場。
從設備來看，美國在大多數前端半導體制造設備的全球生産中，占有相當大的份額，但關鍵的光刻設備生産主要集中在荷蘭和日本。由于美國的半導體制造有限，這些設備制造商嚴重依賴美國以外的銷售。
該報告的綜述總結了8種主要風險，包括：（1）脆弱的供應鏈；（2）惡意供應鏈中斷；（3）使用過時的和幾代前的半導體，以及供應鏈中公司持續盈利的相關挑戰；（4）客戶集中度與地緣政治因素；（5）電子生産網絡效應；（6）人力資本缺口；（7）IP盜用；（8）在獲取創新利益、協調私人和公共利益方面的挑戰。
二、設計：美國邏輯芯片領先，營收依賴中國
芯片設計越來越多由“無晶圓廠（fabless）”半導體設計公司進行，其産業集中度明顯低于制造和設備環節。
總體而言，美國半導體設計生態系統是強大的和世界領先的，但其無晶圓廠設計公司必須與亞洲代工廠密切合作，且設計流程依賴于IP供應商和電子設計自動化（EDA）軟件。
當前基本的IP和EDA提供商的總部主要設在美國，美國仍對高技能人才具有吸引力，不過也面臨越來越依賴海外人才的問題。另外，美國芯片設計公司的銷售增長越來越依賴中國，這會影響到其研發支出。
許多在美國院校攻讀電氣、計算機、材料等專業的學生來自其他國家
半導體市場主要包含邏輯半導體、存儲半導體和模擬半導體，三者在2020年的市場份額分別約爲42%、26%和14%，其余市場份額爲分立器件、光電器件、傳感器器件等非集成電路半導體。
1、邏輯芯片：美國遙遙領先
邏輯芯片是計算的基石，中央處理器（CPU）、專用圖形處理單元（GPU）、現場可編程門陣列（FPGA）的市場均爲雙巨頭壟斷，而在專用集成電路（ASIC）和基于Arm架構的移動設備處理器供應商基礎上，競爭明顯加劇。美國在這些芯片設計方面處于世界領先地位。
2020年集成電路市場份額領導者
2、存儲芯片：DRAM三分天下，閃存繼續整合
存儲芯片方面，韓國三星、SK海力士和美國美光爲動態隨機存取存儲器（DRAM）領域的行業領導者，三家在2020年占據了全球700億美元存儲芯片市場的95%。
閃存（NAND）生産則不那麽集中，韓國三星、日本铠俠、美國西部數據、韓國SK海力士、美國美光、美國英特爾這6家公司估計占2020年470億美元全球市場的99%。
NAND業務似乎正在進一步整合，去年英特爾計劃將其大部分NAND業務出售給SK海力士，也有報道稱，西部數據和美光可能正尋求收購铠俠。此外，中國長江存儲也正快速擴張。
3、模擬芯片：輕晶圓廠運營模式較熱
與存儲芯片相比，模擬芯片商品化程度較低，通常不太依賴于使用先進制造節點。2020年，10家最大的模擬集成電路供應商占560億美元市場的62%，只有德州儀器的市場份額超過10%。
許多領先的模擬半導體公司都以“輕晶圓廠”（fab-lite）生産商的身份經營，采用自行建廠生産和外包相結合的方式。
4、非集成電路芯片：市場高度分散
分立器件、光電和傳感器等非集成電路半導體在2020年的銷售額爲790億美元，占整個半導體市場（4400億美元）的近18%。這類産品中的大部分半導體都是成熟的節點技術芯片，通常每種只值幾分錢，市場高度分散。
除了成熟節點技術之外，非集成半導體的關鍵驅動技術主要是在電源管理和小型化方面的創新，特別是面向離散功率半導體，汽車是一大關鍵的終端應用領域。
美國主導的氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）和其他化合物半導體襯底的研發是電力管理和分配、高頻功率放大和光電子等各種應用發展的關鍵，平面顯示半導體也屬于這一類。
5、上遊IP與EDA：由歐美公司主導
IP授權與EDA工具加速了芯片設計的創新。全球三大EDA供應商均在美國，同時IP核心領域曆來由總部位于美國和英國的公司主導。
該報告分析稱，美國企業在EDA的主導地位至少源自這些因素：市場領導者有能力收購和合並較小的EDA供應商、換EDA供應商對設計企業來說成本高昂，以及EDA公司與代工廠的關系。
同時該報告認爲，過去幾年，中國已采取措施增強對半導體IP的獲取和控制，這可能會限制美國公司可獲得的IP，從而給美國産業帶來風險。
三、制造：缺乏先進工藝節點生産能力
晶圓廠有IDM和純晶圓代工廠兩種模式。
IDM廠執行從設計到最終測試的全部流程，約占全球半導體産能的2/3。SIA報告稱，44%美國半導體公司的生産能力位于美國。總體而言，2020年美國占全球IDM收入的51%，在邏輯和模擬芯片方面尤其強大。
純晶圓代工廠約占全球芯片産能的1/3，但占邏輯芯片産能的近80%。中國台灣占據了63%的全球代工市場份額，其中台積電一家就占了53%；韓國約占18%、中國大陸約占6%。
美國在最先進芯片工藝節點上缺乏生産能力。目前全球僅台積電、三星領先，美國英特爾預計到2023年才會全面進入7nm生産，因此美國無晶圓廠芯片公司幾乎完全依賴亞洲代工廠來生産最先進的芯片。同時美國在成熟節點也依賴集中在中國台灣、韓國和中國大陸的芯片制造商。
1990-2021年美國半導體産能占全球份額的變化情況及至2030年的變化預測
一個300mm（12英寸）晶圓，可以生産600個或更多的獨立芯片。在美國的40家主要半導體晶圓廠中，有20家采用現代標准的300mm晶圓；其他的則使用200mm（8英寸）或以下的晶圓。2009年至2018年間，全球有超過100家150-200mm晶圓廠關閉，其中70%關閉地點位于美國和日本。
IC Insights認爲，許多晶圓廠使用了數十年，已經超過了它們的實際用途。在某些情況下，它們被更具成本效益或升級的設施所取代。在其他情況下，擁有晶圓廠的成本太高，一些公司轉向了輕晶圓廠或無晶圓廠的商業模式。
雖然美國芯片産能一直相對穩定，但美國以外的産能和産量也在增長，尤其是在亞洲。SIA預測，到2030年，美國在半導體生産能力中的份額將下降到10%，而亞洲的份額將增長到83%。
2019年，全球新建的6家半導體生産工廠中，沒有一家在美國，有4家在中國。
2019年全球各地區晶圓制造能力分布（來源：SIA）
和設計業類似，美國芯片制造商也嚴重依賴對中國市場的銷售。美國勞動力老齡化問題，也對美國的芯片生産構成了威脅。
另外，半導體制造對能源的需求很高。設施每運行1小時，可能需要多達100兆瓦時的電力，相當于美國家庭9年的平均耗電量。由于電力占制造運營成本的30%，獲得可靠且負擔得起的能源對半導體制造商具有競爭力至關重要。
事實上，全球化和高度專業化的半導體制造供應鏈結構，加上地理制造業集群的經濟利益，增加了自然和人爲災害造成破壞的風險。此前，斷電、火災等突發事件均影響至全球芯片的供應。
美國環境保護署已經意識到這些問題，並一直與半導體行業就如何在未來的法規制定過程中考慮供應鏈的影響，保持著不斷的溝通。
四、後端ATP：美國缺乏生態，嚴重依賴亞洲
芯片生産的後端ATP環節，包括半導體組裝、測試、封裝和先進封裝。該環節通常由IDM廠商、純晶圓代工商和外包半導體封測（OSAT）廠商來提供服務。
當前，美國只占有全球半導體封裝能力的3%，這還不包括測試能力，主要由IDM提供，他們通常在美國之外建有ATP設施。
美國公司占ATP市場營收的28%，IDM ATP市場營收的43%。中國台灣的台積電、聯電，中國大陸的中芯國際、武漢新芯，均有封裝業務。
美國的OSAT只占全球OSAT業務的15%，中國台灣和大陸地區則約占據全球市場的73%。安靠技術（Amkor）雖然總部設在美國，但沒有在美國建立生産設施。
ATP市場份額（按營收）
傳統上，ATP是一個自動化和低價值的業務，主要集中在中國大陸、中國台灣和東南亞地區，但美國半導體的供應離不開這一關鍵環節，同時近些年來，封裝技術正變得越來越先進，中國在過去幾年在先進封裝方面進行了大量投資。
根據SEMI和Techsearch數據，2018年全球有超過120家OSAT公司和360家封裝廠，其中超過100家封裝廠在中國大陸，大約100家在中國台灣，43家在東南亞，其他在歐美地區。
先進封裝類型包括芯片堆疊技術、嵌入式芯片、扇出晶圓級封裝和系統級封裝。
邏輯芯片的一種方法是將標准化IP功能分離成不同的、更小的芯片，稱爲“chiplet”，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）及多家企業均在探索這一技術方向。
2019年，先進封裝占總半導體封裝價值的42.6%，預計到2025年將達到總體半導體封裝市場的近1/2。
從2014年到2025年，先進封裝的收入預計將從2014年的200億美元增至2025年的約420億美元，增長1倍多；其複合年增長率（CAGR）爲6.1%，幾乎是傳統封裝市場預期增長的3倍。
當前全球前10大先進封裝公司，包括2家IDM商（美國英特爾、韓國三星），1家代工商（中國台灣台積電），全球前5大OSAT商（中國台灣日月光、中國台灣矽品、美國安靠、中國台灣力成科技、中國大陸長電科技），和2家更小的OSAT商（韓國Nepes Display和中國台灣颀邦科技）。
這10家公司生産了全球大約3/4的先進封裝芯片。
此外，美國缺乏開發先進封裝技術的生態系統。先進封裝材料方面，美國在先進封裝基板及相關供應鏈方面能力不足，而中國正成爲更具吸引力的基板供應商的市場。
美國的印刷電路板制造業曾經占全球總生産量的30%以上，如今只占不到5%。
美國IPC/USPAE機構預計，美國在下一代電子應用所需的印刷電路板制造技術方面落後亞洲20年，在制造用于微電子封裝的先進印刷電路板制造類基板方面落後亞洲30年。
五、材料：硅晶圓依賴日本，硅、镓來自中國
有數百種材料被用于半導體制造過程中的不同階段。一個市場研究公司估計，2020年全球電子市場材料和半導體工業化學品和氣體價值183億美元，有望到2025年增長至262億美元。
對于美國來說，海外供應商主導了硅晶圓、光掩膜和光刻膠市場，日本公司在這些行業尤其強大。同時，硅、镓等原材料主要來自中國。
該報告主要複盤了包括多晶硅、硅晶圓、光掩模與光刻膠、超純及常規化學品和氣體、原材料在內的一些關鍵半導體材料供應鏈：
1、多晶硅：中國占全球産能的70%以上
幾家在美國生産電子級多晶硅的制造商，包括美國Hemlock Semiconductor、挪威REC Silicon、德國Wacker和日本三菱綜合材料。
美國本土生産商稱，盡管美國目前有生産能力，但由于中國采取行動增強其在半導體和太陽能供應鏈上的主導地位，美國的技術領先地位和半導體級多晶硅的生産面臨風險。
中國占全球太陽能級多晶硅市場的95%以上，美國目前還不存在太陽能行業的直接客戶，但由于半導體級多晶硅和太陽能級多晶硅的生産過程密切相關，美國生産商必須能利用強勁的全球太陽能産品市場，以確保半導體材料的持續生産。
這些生産商說，中國目前占全球多晶硅産能的70%以上，美國占9%。
2、半導體硅晶圓：日本坐擁半壁江山
日本公司在硅晶圓市場占據主導地位，估計占有56%的市場份額，其次是中國台灣（16%）、德國（14%）和韓國（10%）。
雖然一些德國、日本和中國台灣公司在美國建有生産設施，但只有像Virginia Semiconductor公司這樣的美國小公司制造硅晶圓。當前中國大陸在300mm（12英寸）晶圓的制造能力方面還非常有限，預估所占市場份額不超過5%。
目前，半導體産業廣泛使用300mm晶圓，一些領先的制造商探索了450mm晶圓生産的投資，但半導體加工工具的制造成本明顯較高，投資預期回報較低，導致這種方法被放棄。200mm晶圓也繼續擁有一個很大的市場。
盡管絕大多數商用半導體是由硅晶片生産的，但鍺、GaAs、GaN和SiC等複合半導體更適合5G通信、自動駕駛汽車、可再生能源和軍事系統等關鍵新興應用。隨著其商業應用越發廣泛，它們與傳統半導體材料之間的成本差距已經縮小。
美國目前在氮化镓（GaN）微波電子學方面處于領先地位，其他國家也正在大規模投資以發展本土氮化镓。
美國能源部早在2015年成立了一個由60家機構組成的聯盟Power America，重點加速應用美國制造的SiC和GaN。美國DARPA還資助了磷化铟、GaAs、SiGe、SiC、GaN和氮化鋁等項目，以及最近在超寬帶隙半導體方面的工作。不過當前SiC和GaN的制造服務主要在美國之外。
3、光掩模與光刻膠：日本領先地位難撼動
光掩模包含集成電路圖形，被用于確保將圖形精確轉印到硅晶圓上。在光刻工藝環節，光線穿過光掩模，將圖形投射到晶圓表面。
光刻膠是一種用于形成圖案的光敏有機材料，被用于光刻工藝過程中經過曝光將光掩膜版上的圖形轉移到晶圓片上。
在大型半導體公司中，自主生産光掩模很常見。美國英特爾、韓國三星、中國台灣台積電和中國大陸中芯國際都有自己的掩膜生産業務。然而，無晶圓廠半導體公司依賴于總部設在日本、美國和中國台灣的商業掩膜制造商。
美國CSET估計，日本公司控制了53%的商業掩膜市場，美國公司占40%，中國台灣公司占7%。
根據CSET供應鏈研究，日本公司還占據了半導體光刻膠市場的90%份額。剩下的10%主要由美國和韓國的公司持有。中國本土幾乎沒有能力生産先進的光刻膠。
4、超純及常規化學品和氣體：美歐日占優勢
半導體行業有許多化學品和氣體供應商，美國、日本和歐洲都有領先的公司。許多非美國公司通常會在美國設立分支機構。大多數化學和氣體供應商的大部分業務均不在半導體行業。
美國、日本和法國生産半導體氣體。目前，六大供應商是美國慧盛材料、韓國SK材料、日本MTG/TNS、法國液化空氣、英國林德/美國普萊克斯和日本KDK。它們占據了約一半的市場份額，約50家供應商占據了另一半市場。
美國、德國和日本是濕電子化學制品的主要生産國。美國KMG、美國艾萬拓、美國霍尼韋爾、德國巴斯夫和日本關東化學在該市場占有超過60%的份額。
5、原材料：供應來源集中在中國
硅、镓等用于生産晶圓的原材料都集中在中國。氦氣也很短缺。美國是氦氣的來源之一，它是天然氣生産的副産品，因此受天然氣價格的影響。
執行命令14017要求的關鍵礦物和材料供應鏈審查中，討論的一些關鍵材料、礦物和稀土元素用于半導體制造（包括镓和多晶硅）。然而，盡管這些材料對半導體制造過程至關重要，但這些材料的其他用途是這些材料的消費者，這些材料的問題並不是半導體行業特有的。
六、制造設備：美國占較大份額，光刻設備依賴荷蘭與日本
半導體生産線的不同環節，會用到不同類型的半導體制造設備。
前端制造設備包括光刻、蝕刻、摻雜或離子注入、沉積、抛光或化學機械平面化。特別值得注意的是金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）設備，它主要被用于生産GaAs、GaN等化合物半導體。後端制造設備包括ATP設備和先進封裝。
美國在半導體制造設備領域市占率較高，但高度依賴外銷。根據美國應用材料及泛林研發公司的財報，其2020年營收中，約有90%來自美國之外的地區。
目前半導體制造設備市場份額前三的分別是美國（41.7%）、日本（31.1%）和荷蘭（18.8%）。除了裝配及封裝設備、MOCVD設備外，中國公司沒有占據明顯的份額。
2019年，五大半導體制造設備公司是美國應用材料（18.8%）、荷蘭ASML（16.8%）、日本東京電子（13.4%）、美國泛林研發（11.8%）、和美國科磊（6.8%），共占有全球市場的67.6%。
如下圖所示，雖然美國在大多數前端SME的生産中占有相當大的市場份額，但光刻掃描/步進設備是一個明顯的例外，幾乎都是由荷蘭公司ASML和日本公司尼康和佳能生産的，其中ASML是EUV光刻機的唯一供應商。
集成電路制造工具市場份額
MOCVD設備的主要供應商包括美國Veeco、德國愛思強和中國大陸中微公司；蝕刻設備的前三是美國泛林研發、日本東京電子和美國應用材料。
相較前端，美國在後端封裝設備方面的市場份額較小。日本有最大的封裝設備份額（35.7%），其次是中國大陸（22.9%）和荷蘭（11.1%）。
不過美國庫力索法半導體是一家全球領先的半導體封測設備公司。美國和日本是後端測試設備（ATP）的領導者，分別擁有33.5和48.6%的市場份額。
一個半導體制造設備可擁有100多個零部件，根據制造商普查調查，美國半導體制造設備銷售收入的一半被花費在了零部件和其他材料上。美國公司也爲外國公司出售的設備提供關鍵零部件。
報告還提到，中國政府對半導體制造設備生産商的補貼，對企業的財務表現産生了明顯的影響。
目前有超過200家晶圓廠在200mm（8英寸）晶圓上生産半導體，主要用于350nm~90nm的成熟節點芯片。當前200mm（8英寸）制造設備短缺，尚無緩解的迹象。
一家半導體制造設備公司報告稱，盡管從2010年到2015年，200mm晶圓設備的銷售如預期的那樣下降，200mm和300mm之間的比例爲50%，但需求卻回到了2010年的水平。
SEMI報告稱，2019年有5個新200mm晶圓廠，2020年有7個開始建設（其中3個在中國大陸，美國、日本和中國台灣各1個)。雖然200mm的設備過去是可用的二手設備，這個市場已經枯竭。200mm的新設備也很難找到，尤其是光刻設備。
如今，新設備的購買將會取決于新晶圓廠、技術、功能或增加産量的需求、增加服務的重要性，以及大型提供商的升級和行業的整合。這也使較小的設備公司面臨被大公司吞並或銷量流失到大公司子公司的風險。
七、解決供應鏈風險的7項政策建議
除了分析半導體供應鏈現狀外，該報告也提出了7項政策建議，旨在解決當前半導體短缺和報告中確定的風險：
1、與工業界合作，促進投資、提高透明度和協作，以解決半導體短缺問題。
2、根據美國《2021財政年度國防授權法案》（NDAA）規定，爲CHIPS法案提供全面資金。
3、通過立法行動來實施美國總統拜登美國就業計劃中的想法，加強其本土半導體制造生態系統，爲支持關鍵的上遊提供激勵。
4、通過研發資源支持制造商，特別是中小企業，以證明新興技術和融資從實驗室轉移到市場，並解決增長的資本需求，促進創新。
5、通過大量投資來發展和多樣化STEM人才管道，勞工部就業和培訓管理局以部門爲基礎的途徑和培訓項目、公共/私人投資來幫助資助勞動力發展及移民政策的改變，從而吸引世界上最優秀和最聰明的人才。
在半導體和其他電子元件制造業中，最詳細的STEM職業教育水平的相對百分比
6、通過鼓勵外國晶圓廠和材料供應商在美國及其他盟國和夥伴地區投資，提供多樣化的供應商基礎，與盟友及夥伴就半導體供應鏈彈性進行合作。
7、保護美國在半導體制造和先進封裝方面的技術優勢，確保出口控制支持政策行動，以解決與其供應鏈相關的國家安全和外交政策關切。
結語：加強本土供應鏈，機遇與挑戰並存
該報告還對中國大陸、韓國、歐盟、日本、中國台灣、新加坡及以色列爲半導體産業提供的補貼及激勵措施進行了彙總整理，並分析了當前美國半導體制造業發展所面臨的機遇及挑戰。
在美國政府的推動下，台積電、三星、英特爾、格芯均宣布了新的美國半導體制造建廠計劃。提高本土半導體産能不僅有助于解決半導體供應鏈各個環節的供應鏈脆弱性，還可能成爲高質量、高薪工作的來源。
SIA估計，半導體行業的每一個直接就業崗位都會産生4到5個間接就業崗位。此外，半導體生産設施也有助于增加電子材料、封測等上下遊産業的就業機會。
美國政府鼓勵先進芯片封裝和測試的政策，亦可以增強供應鏈的彈性，這些激勵措施可能針對相對邊緣或經濟不景氣的美國地區。
另一方面，提高本土半導體産量及發展下一代半導體技術，最大的挑戰是資金。以制造業爲例，在全球任何地方建一個12英寸大型晶圓廠都要花數十億美元，一個領先的工廠甚至要花費數百億美元。
美國勞動力成本較高、政府激勵措施偏少，因此在美國建立新工廠的10年成本可能達到平均60億美元，比在中國台灣、韓國或新加坡建立同樣的工廠高30%，比在中國大陸高50%。
來源：美國白宮
