美國SIA最新報告：未來十年，中國將成全球“芯片工廠”
本月早些時候，美國半導體行業協會（SIA）與波士頓諮詢集團（BCG）聯合發布了一份研究報告，通過20多張圖表，詳盡地分析和呈現全球半導體供應鏈的分佈特徵。這份53頁的《在不確定的時代加強全球半導體供應鏈》報告提到，在未來10年，整個半導體供應鏈需投資約3萬億美元的研發和資本支出，半導體公司每年需持續研發投入逾900億美元，相當於全球半導體銷售額的20%左右，以開發越來越複雜的芯片。
根據這份報告，日本、韓國、中國台灣和中國大陸目前集中了全球大約75%的半導體製造產能；如果按照現在的發展趨勢，中國大陸有望在未來10年發展成全球最大的半導體製造基地。
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1萬億美元左右的前期投入，最終會致使半導體價格整體上漲35%~65%；假如台灣晶圓廠永久中斷，至少需要花3年、投資3500億美元，才能在世界其他地方建設足夠替代的產能。
此外，報告還展現了全球半導體供應鏈研發及人才現狀。當前在半導體科研領域，中美互為最大的研究合作夥伴，中國每年提交的論文數和專利數最多，美國半導體專利平均被引用次數最高，而許多美國半導體技術突破均為海外人才貢獻。
一、未來10年，中國有望成全球最大半導體製造基地
該報告顯示，美國在全球半導體製造產能中的份額已從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%的新產能，成為全球最大半導體製造基地。
這背後一大關鍵因素是經濟因素，在美國建設一個新芯片工廠的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%直接歸因於政府激勵措施，目前美國的政府激勵措施比其他地方低得多。
該報告認為，美國聯邦政府對本土半導體製造業的500億美元投資，有望扭轉美國芯片產量下降的趨勢，並在未來10年在美國建立多達19家先進的邏輯、存儲和模擬半導體製造工廠或晶圓廠。
這將直接創造7萬個高薪工作崗位，並在整個經濟中間接創造大約額外的35萬個就業機會，即總共超過40萬個直接和間接就業機會。
二、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完全的垂直整合。
半導體供應鍊是真正全球化的，2019年，六大地區（美國、韓國、日本、中國大陸、中國台灣、歐洲）對半導體行業總增加值的貢獻均達到或超過8%。
在全球半導體供應鏈中，各地區展現著不同的優勢，並互相依賴。半導體的典型歷程涉及到大多數這些地區。
▲示例：一個智能手機應用處理器的全球歷程
美國在研發密集型產業，如電子設計自動化（EDA）、核心IP、芯片設計和先進製造方面處於領先地位，這得益於其世界一流的大學、龐大的工程人才庫、市場驅動的創新生態系統。
東亞地區（韓國、日本、中國台灣）在晶圓製造方面優勢明顯，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力。
中國大陸在裝備、封裝、測試等領域處於領先地位，並正在積極加大投資。
假設在每個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1萬億美元（9000億~1.225億美元）的增量前期投資，並導致半導體價格整體上漲35％至65％ ，最終導致消費者電子設備成本上升。
▲實現完全“自給自足”的本地化半導體供應鏈需增加的研發及資本支出
具體來看，按地區分佈，假如要滿足半導體自給自足，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。
▲實現完全“自給自足”的本地化半導體供應鏈，各地區所需增加的支出成本分佈
三、假設取代台灣晶圓廠，至少需投資三年、3500億美元
整個半導體供應鏈上有超過50個地區，其中一個地區擁有超過65%的全球市場份額。
例如，大約75％的全球半導體製造能力，以及矽晶片、光刻膠等許多關鍵材料的供應商，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和地緣政治緊張局勢的影響。
另外，全球最先進的半導體生產能力（即10nm以下）目前100%位於中國台灣（佔92％）和韓國（佔8％）。
這些地區存在可能因自然災害、基礎設施關閉或國際衝突而中斷的潛在風險，並可能導致基本芯片供應嚴重中斷。
在極端假設的情況下，如果台灣代工廠完全中斷一年，台灣代工廠將失去420億美元的收入，這可能會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4900億美元的收入，從而造成嚴重的全球經濟中斷。
如果要使這種假設的中斷變得永久化，則可能至少需要3年時間、3500億美元的投資，才能在世界其他地方建設足夠的產能來取代台灣晶圓廠。
四、美國和中國是全球最大的半導體市場
半導體可分為三類，分別是邏輯（收入佔比42%），內存（收入佔比26%），以及離散、模擬和其他（DAO，收入佔比32%）。
在手機領域，模擬半導體佔比最高；在消費電子、PC、ICT基礎設施領域，邏輯半導體佔比偏高；在工業和汽車應用領域，DAO佔比更高。
其中，採用10nm以下先進製程的均為邏輯半導體，而DAO在成熟製程產能中佔比偏高。
從地理分佈來看，有三種不同的方式來衡量半導體需求的來源，一是電子設備製造商總部所在地，二是設備製造、組裝地點，三是購買電子設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體市場。
該報告估計，2019年中國消費者和企業購買的設備中包含半導體的價值約佔全球半導體收入的24%。幾乎與美國（25%）持平，高於歐洲（20%）。
由於在大多數電子設備類別中，中國國內市場的增長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佔的份額預計將在未來5年繼續增長。
五、半導體供應鏈7大環節研發&資本支出分佈
半導體創造和生產所涉及的產業供應鍊是非常複雜和全球化的，由研究、設計、前端製造、後端封測、EDA&核心IP、設備&工具、材料等7個環節所組成的生態系統來支持。
該報告估計，2019年全球半導體產業研發投資約為900億美元，資本支出約為1100億美元，兩個數字的總和幾乎占同年全球半導體銷售額（4190億美元）的50%。
1、競爭前研究：佔整個行業研發支出的15-20%
從一項新技術方法在一篇研究論文中被引入，到大規模商業製造中，預計平均需10-15年的時間。
例如，極紫外線（EUV）技術是最先進的半導體製造節點的基礎，從早期的概念演示到在晶圓廠的商業實現，花了近40年的時間。
在大多數領先國家，基礎研究通常佔總研發投入的15-20%。例如在美國，基礎研究一直穩定在總研發的16-19%，中國目前只有約5-6%的研發支出用於基礎研究，但過去20年中國一直在縮小競爭前研究和總研發支出之間的差距。
2、芯片設計：佔整個行業研發支出的65%
芯片設計是知識技能密集型業務，佔整個行業研發的65%。專注於芯片設計的公司，通常會將年收入的12%~20%用於研發。
隨著芯片越來越複雜，開發成本迅速上升。例如一款旗艦智能手機的最新系統芯片的開發總成本，可能超過10億美元。
而如果衍生品大量重複使用之前的設計，或者在成熟節點上製造新的更簡單的芯片，開發成本僅為2000萬至2億美元。
3、芯片製造：佔整個行業資本支出的65%
晶圓製造約佔整個行業資本支出的65%。專注於半導體製造的公司的資本支出通常相當於其年收入的30~40%。
一個最先進的、標準產能的半導體工廠需要大約50億美元（用於先進模擬晶圓廠）到200億美元（用於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）的預估成本要高得多。
根據特定產品的不同，半導體晶圓的整個製造過程有400到1400個步驟。製造完成半導體晶圓的平均時間（即周期時間）大約是12週，但對於先進工藝，可能需要多達14-20週的時間來完成。
4、後端封測：佔整個行業資本支出的13%
專門從事封裝和測試的公司，通常在設施及設備上的投資超過其年收入的15%。
總的來說，該環節佔2019年行業資本支出總額的13%，主要集中在中國台灣和大陸，最近也在東南亞地區建設新的設施。
5、EDA&核心IP：佔整個行業研發支出的3%
在設計階段，電子設計自動化（EDA）公司提供複雜的軟件和服務來支持半導體設計。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供應商的研發投入約佔整個行業研發支出的3%，約佔其收入的30 %~40%。
6、設備&工具：佔整個行業研發支出的9%
整體來看，半導體設備製造商供應商佔2019年行業研發的9%，佔其收入的10%~15%。
半導體製造使用50多種不同類型的精密晶圓加工和測試設備，由專業供應商提供，用於製造過程中的每一步。
其中光刻工具代表最大的製造廠商資本支出，可以決定芯片晶圓廠生產的先進程度。在7nm及以下的芯片製造中，一台EUV機器可耗費1.5億美元。
7、材料：佔整個行業資本支出的6%
從事半導體製造的公司也依賴於專業的材料供應商。總體而言，2019年材料供應商貢獻了總資本支出的6%，佔行業附加值的5%。
全球領先的矽晶片、光敏電阻或氣體供應商的年度資本支出通常佔其收入的13%至20%。
半導體製造業使用多達300種不同的材料投入，其中許多也需要先進的技術來生產。
▲2019年在前端和後端製造中，關鍵半導體製造材料的全球銷售情況
六、全球前三通常佔各領域總收入的50%~90%
根據其集成水平和商業模式，半導體公司可分為4種類型，分別是集成器件製造商（IDM）、無晶圓廠設計公司（Fabless）、代工廠（Foundry）和外包封測公司（OSAT）。
▲技術的複雜性和對規模的需求導致了專注於供應鏈特定層次的商業模式出現
在製造業，建設新產能所需的前期投資規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，相當於其年收入的35%以上。
半導體設計雖然不需要大量的資本支出，但其高研發強度也創造了顯著的規模優勢和准入壁壘。2015年至2019年，前5大無晶圓廠設計企業研發投入達約680億美元，平均每家企業每年投入28億美元，相當於其收入的22%。
按收入計算，全球10家最大的OSAT公司中有9家的總部位於中國大陸、中國台灣和新加坡，其中中國大陸和台灣佔全球的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意的回報。這是為什麼在半導體供應鏈的不同環節中，全球排名前三的公司通常佔各自所在領域收入的50%~90%。
七、中美互為最大的研究合作夥伴
半導體行業的研發投資中，很大一部分被用於科學突破的基礎研究上，這些投資要比其潛在的商業應用之前很多年。
在這種競爭前合作方面，半導體公司與研究機構通常會進行合作，來分攤研究成本和避免重複性工作。
過去10年，中國和美國是在半導體領域發表相關科技論文最多的兩個國家。
根據該報告對科學出版物的分析顯示，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夥伴。
中國研究機構發表的與半導體相關的科學論文中，36%是與其他國家的研究機構共同撰寫的。在美國機構的出版物中，60%是與其他國家的機構合作撰寫的，中國是最大的合作夥伴，其次是德國和韓國。
一些最關鍵的半導體技術進展得益於幾十年來全球研發合作的結果。比如當前最先進的EUV光刻設備包含約10萬個部件，由遍布全球的5000多家供應商提供。
儘管中國每年提交的半導體學術研究論文和專利數量是最多的，但美國仍是該行業最相關創新的源頭：每項美國半導體專利的平均被引用次數是世界上任何其他國家專利的3~6倍。
八、海外人才對美國半導體發展貢獻大
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突破，包括MOSFET、CMOS製造工藝等，均是由移民到美國的人開發的。
根據安全和新興技術中心（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。
國際學生佔電氣工程和計算機科學研究生的2/3左右，超過80%的學生在完成學位後會留在美國。
九、半導體行業吸引人才面臨激烈競爭
人才已經成為半導體行業的主要關注點，人才短缺的風險可能會限制未來幾年的創新步伐。
2017年一項整個供應鏈半導體高管進行的調查顯示，約80%的公司面臨著技術職位候選人的嚴重短缺。在2018年的另一項調查中，64%的受訪者將人才列為威脅其發展能力的三大風險之一，並且是最高的風險因素。
薪資統計數據還指出了人才供應方面的限制：自2001年以來，美國半導體行業的薪資增速平均為4.4%，明顯快於整個經濟的薪資增速。
半導體行業還面臨著勞動力老齡化的挑戰，大量現有技術崗位的員工可能在未來10-15年退休。
此外，該行業還需要吸引不同技能的人才，特別是軟件開發和人工智能方面的人才。
從理工科畢業生全球人才庫的歷史增長來看，似乎難以滿足半導體行業對人才的需求。
▲全球理工科畢業生人才庫總量的歷史增長看起來不足以滿足行業對人才的需求
該報告對美國國家科學和工程中心（NCSES）統計的全球數據進行分析，結果顯示，在半導體供應鏈領先的六大地區，從2000年到2015年（最近有完整數據的年份），年增長率為4.5%。
科學和工程博士的數量顯示了相似的增長率。這種增長在不同地區也有很大差異：中國的人才庫每年增長10%以上，在美國的增長率低於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公司數量的爆炸式增長，增加了半導體行業吸引留住高技能技術人才的挑戰。
結語：解決供應鏈風險需要政府刺激措施
根據這份報告的分析，雖然地理專業化促進了創新，並降低了消費者的成本，但它也造成了供應鏈風險，應通過政府刺激措施來提高本土芯片生產，從而解決供應鏈風險。
該報告呼籲政府採取以下行動，以提高供應鏈的長期彈性：
1、確保國內外公司都享有平等的全球競爭環境，並強有力地保護知識產權；
2、促進研發和技術標準方面的全球貿易和國際合作；
3、投資於基礎研究、STEM教育和勞動力發展；
4、制定先進的移民政策，使領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，避免對技術和供應商的廣泛單方面限制。
總體而言，為了降低全球主要供應中斷的風險，該報告認為美國政府應制定以市場為導向的激勵計劃，以實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製造能力並擴大某些關鍵材料的供應，例如能滿足美國本土對國防、航空航天和關鍵基礎設施所用先進邏輯芯片的需求。
