【引言】2021 年 2 月，花旗國大統(tǒng)領(lǐng)拜登簽署了第 14017 號行政命令，要求其政府對半導體、新能源電池、稀土礦物、醫(yī)藥用品等四大領(lǐng)域的供應鏈進行全面審查，以識別風險、解決漏洞并制定完善供應鏈韌性的戰(zhàn)略。大統(tǒng)領(lǐng)簽署命令時，引用了一句諺語“因為缺少釘子，鞋扔了。因為缺鞋，馬丟了”，如此這般，直到王國滅亡。供應鏈中只要出一點點的小故障都會影響美國的安全、工作、家庭和社區(qū)。為了進行這項全面審查，拜登政府成立了一個內(nèi)部工作組，涵蓋十多個聯(lián)邦部門和機構(gòu)。政府官員咨詢了來自勞工、企業(yè)、學術(shù)機構(gòu)、國會以及美國盟友和合作伙伴，以發(fā)現(xiàn)漏洞并制定解決方案。

花旗國的審查評估報告于2021年6月完成。

一、關(guān)于半導體

半導體是現(xiàn)代日常生活必不可少的集成電路的物質(zhì)基礎(chǔ)，半導體是現(xiàn)代消費者日常生活中不可或缺的部分，可以在電燈開關(guān)、車庫門開啟器和冰箱等家居用品以及手機、電腦和汽車等更復雜的產(chǎn)品中找到它的存在。現(xiàn)代人每天（可以說每小時、每分每秒）都會使用它?；诎雽w的集成電路是各種技術(shù)的“DNA”，從根本上改變了社會經(jīng)濟的全部領(lǐng)域，從農(nóng)業(yè)、運輸、醫(yī)療保健、電信和互聯(lián)網(wǎng)。半導體行業(yè)是花旗國經(jīng)濟增長和創(chuàng)造就業(yè)的主要引擎。幾乎所有技術(shù)產(chǎn)品中都離不開半導體；當然[敏感詞]的[敏感詞]系統(tǒng)也離不開半導體的支持。

報告估計，2020 年美國半導體行業(yè)的年銷售額為 2080 億美元，占據(jù)了全球市場的近一半。盡管全球發(fā)生 COVID-19 大流行，但 2020 年全球半導體產(chǎn)品銷售額增長了 6.5%。報告依據(jù)SIA 估計，到 2027 年全球半導體市場的年銷售額將達到 7260 億美元，復合年增長率為 4.7%。半導體是美國的主要出口產(chǎn)品，2020 年的出口銷售額為 470 億美元，排在第四位，僅次于飛機、成品油和原油油.

盡管美國半導體產(chǎn)業(yè)占全球半導體產(chǎn)品收入的近一半，但這份評估報告認為美國本土半導體制造能力占全球產(chǎn)量份額已從 20 年前的 37% 下降為今天的12%左右。美國的企業(yè)，包括主要的無晶圓廠半導體公司，都嚴重依賴外國，尤其是依賴亞洲，這造成了供應鏈風險。

調(diào)研報告通過五個相關(guān)的基本部分檢查半導體供應鏈：(1) 設(shè)計；(2) 制造；(3) 組裝、測試和封裝；（4）材料；（5）生產(chǎn)設(shè)備。

二、基本結(jié)論：

設(shè)計：

美國半導體設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)強大且[敏感詞]，但美國公司高度依賴對中國的銷售來維持利潤增長和國內(nèi)（注：美國國內(nèi)）研發(fā) (R&D) 投資。此外，美國設(shè)計公司主要依賴有限的知識產(chǎn)權(quán) (IP)、勞動力和制造資源開展業(yè)務。這些資源對于將產(chǎn)品推向市場至關(guān)重要。

制造：

美國缺乏足夠的半導體制造能力。美國主要依靠臺灣提供先進工藝節(jié)點的的邏輯芯片，依靠臺灣、韓國和中國大陸來滿足對成熟工藝節(jié)點芯片的需求。

測試和先進封裝：

對于技術(shù)含量相對較低的后端半導體封裝和測試，美國嚴重依賴集中在亞洲的外國資源。此外，隨著芯片變得越來越復雜，先進的封裝方法代表了未來重大技術(shù)進步的潛在發(fā)展領(lǐng)域。美國缺乏必要的材料生態(tài)系統(tǒng)，美國也不是發(fā)展強大的先進封裝行業(yè)的具有成本效益的地點，而中國的大量投資可能會顛覆原有的市場格局。

材料：

半導體的生產(chǎn)需要數(shù)百種材料，這給制造業(yè)的供應鏈帶來了挑戰(zhàn)。許多用于半導體制造的氣體和濕化學物質(zhì)是在美國生產(chǎn)的，但外國供應商主導著硅片、光掩模和光刻膠的市場。

制造設(shè)備：

除了光刻機之外，對于大多數(shù)半導體制造前端工藝設(shè)備，美國企業(yè)在全球中占有很大份額。

除美國之外，制造設(shè)備生產(chǎn)集中在荷蘭和日本。由于美國的半導體制造業(yè)規(guī)模有限，這些設(shè)備制造商的發(fā)展，嚴重依賴美國以外的銷售。

三、關(guān)于集成電路設(shè)計

歷史上，在半導體（芯片）產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最初始階段，集成電路設(shè)計并不是獨立的產(chǎn)業(yè)。集成電路的設(shè)計工作由控制整個生產(chǎn)過程的 IDM企業(yè)完成。如美國的英特爾和德州儀器就是這種企業(yè)的典型代表?，F(xiàn)在，集成電路設(shè)計越來越多地由更專業(yè)的“無晶圓廠設(shè)計公司”完成，它們依靠獨立的制造企業(yè)（代工廠）完成集成電路的制造。代工廠的增加和相關(guān)投資使得進入集成電路的設(shè)計行業(yè)變得更加容易。這導致集成電路設(shè)計行業(yè)集中度明顯低于制造業(yè)和設(shè)備制造業(yè)，并且使得集成電路制造嚴重依賴臺灣。

盡管準入門檻較低，但無晶圓廠設(shè)計公司必須與代工廠密切合作，以確保設(shè)計適合生產(chǎn)過程，而且他們依賴 IP 供應商（通常是其他開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的半導體公司），也需要電子設(shè)計自動化 (EDA)軟件企業(yè)的支持。集成電路設(shè)計業(yè)的上游和下游階段都高度集中。重要的 IP 提供商和 EDA 提供商的總部主要位于美國，但他們的大部分從業(yè)者位于美國境外。

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

由于企業(yè)從事的產(chǎn)品類型不同，從事半導體或者說集成電路設(shè)計的企業(yè)規(guī)模、技術(shù)及結(jié)構(gòu)都非常不同。本報告劃分成三種主要類型的集成電路半導體：邏輯或者說數(shù)字電路，存儲器和模擬電路。2020 年，邏輯或者說數(shù)字集成電路約占市場總份額的 42%；存儲器類產(chǎn)品約占 26%；模擬集成電路電路約占 14%；其它半導體產(chǎn)品的是非集成電路類產(chǎn)品，包括分立器件、光電器件和傳感器器件。

邏輯或者說數(shù)字集成電路是計算機或者說計算部件的基本單元，是半導體產(chǎn)品市場的[敏感詞]類別。根據(jù)世界半導體協(xié)會 SIA 的數(shù)據(jù)，邏輯芯片占行業(yè)收入的 42%。在這一類別的半導體產(chǎn)品中，市場集中度和設(shè)計公司的數(shù)量高度依賴于特定的芯片類型。個人計算機[敏感詞]處理器 (CPU)、專用圖形處理單元 (GPU) 和現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 市場本質(zhì)上都是雙寡頭壟斷。而專用集成電路ASIC的供應商則非常分散，其競爭要更加激烈。產(chǎn)品種類包含ASIC和基于 ARM架構(gòu)的移動設(shè)備處理器。CPU 是計算機的[敏感詞]處理器，GPU 是用于視頻渲染的處理器，F(xiàn)PGA 產(chǎn)品為在制造后由客戶或設(shè)計人員進行配置而用，而 ASIC 則是為特定應用而設(shè)計的定制芯片。

報告認為，美國是世界集成電路設(shè)計領(lǐng)域的領(lǐng)先者，許多公司利用外包制造或?qū)⒃O(shè)計人員放在美國以外的方式降低資本支出?；旧先蛩袀€人計算機 CPU 都是由美國公司英特爾和 AMD公司設(shè)計，其中英特爾公司內(nèi)部完成芯片制造，而AMD公司依賴代工廠完成芯片制造。同時英特爾和AMD公司可能很快就會主導 FPGA 類別，因為 AMD 于2020 年 10 月宣布計劃以350 億美元價的價格收購FPGA市場領(lǐng)導者賽靈思(Xilinx)。如果此次收購得到監(jiān)管部門批準，AMD-Xilinx 和英特爾將占全球 FPGA 銷售額的約 85%。其他美國供應商 Microchip Technology、Lattice Semiconductor 和 AchronixSemiconductor 構(gòu)成了 FPGA 市場的剩余部分。全球 GPU 的主要份額，由AMD 公司以及市場領(lǐng)先的美國公司 NVIDIA占有。

ASIC 供應商群體的競爭明顯加劇，對基于 ARM 架構(gòu)的移動設(shè)備處理器的需求很高。三星等芯片制造商與美國高通和博通等無晶圓廠設(shè)計公司以及蘋果、Alphabet、亞馬遜等數(shù)十家自行設(shè)計芯片的美國科技公司一起在 ASIC 和移動處理器市場上展開競爭。除了 Intel 和 Microchip，全球及美國大多數(shù) CPU、GPU、FPGA 和 ASIC 供應商都是無晶圓廠，它們設(shè)計的芯片依賴于代工廠制造。

據(jù) SIA 稱，用于存儲計算所需的信息的存儲器芯片占行業(yè)收入的 26%。存儲器類芯片是充分商業(yè)化競爭的類別，其效益、技術(shù)進步完全依賴于產(chǎn)量和規(guī)模經(jīng)濟。存儲器類產(chǎn)品通常由 IDM型企業(yè)提供。韓國三星公司、 韓國SK 海力士在動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM） 領(lǐng)域，處于領(lǐng)先地位。美國公司美光占據(jù)大約 23% 的份額?，F(xiàn)在市場份額領(lǐng)先者正在開發(fā)先進的封裝技術(shù)（即芯片堆疊）和其他領(lǐng)先產(chǎn)品的 IP。2020年這三家公司在全球700 億美元市場中大約占了高達95%的份額。

閃存 (NAND) 的生產(chǎn)并不那么集中， 2020 年全球 470 億美元的市場中，估計有 6 家公司占了大約 99%。韓國三星也是閃存產(chǎn)品市場領(lǐng)導者，在 NAND 市場份額占了略高于三分之一的份額。緊隨韓國三星公司之后的是日本的Kioxia公司（前身為東芝），它占據(jù)了大約20% 的份額。閃存產(chǎn)品的第三名是美國的西部數(shù)據(jù)公司，占據(jù)了大約14% 的份額。這個細分行業(yè)中還有韓國的 SK 海力士（12%）、美國的美光（11%）和美國的英特爾（9%）。全球的NAND 企業(yè)似乎準備做進一步整合。NAND產(chǎn)品收入與美光接近的英特爾于 2020 年 10 月宣布計劃將其大部分 NAND 內(nèi)存業(yè)務出售給 SK 海力士。此次出售將推動合并后的公司在 NAND 市場份額中到排名第二的位置。也有報道稱，西部數(shù)據(jù)和美光可能正在尋求收購 Kioxia。此外，成立于 2016 年的中國企業(yè)長江存儲技術(shù) (YMTC) 正在快速擴張，并已獲得約 240 億美元的補貼。中國政府消息來源。到 2022 年，該公司可能有能力每月生產(chǎn)多達 200,000 片晶圓，是英特爾目前 NAND 產(chǎn)能的兩倍以上，對美國的存儲器公司構(gòu)成潛在的低成本威脅。

與存儲器類芯片相比，模擬集成電路產(chǎn)品的商業(yè)化競爭程度較低。而且，而且，模擬電路通常不太依賴使用[敏感詞]制造工藝節(jié)點。應用系統(tǒng)中的最終用途、設(shè)計芯片的知識和經(jīng)驗是模擬集成電路價值的重要因素。因此這里產(chǎn)品企業(yè)的市場集中度并不是太高，原因是模擬集成電路企業(yè)可以通過專注于模擬領(lǐng)域來保持競爭優(yōu)勢。2020 年，全球家[敏感詞]的模擬集成電路供應商占據(jù)了 560 億美元市場的 62%，其中只有德州儀器占有超過 10% 的市場份額。許多領(lǐng)先的模擬半導體公司都是“fab-lite”生產(chǎn)商，自行制造一些他們設(shè)計的芯片，當然它們也外包了制造了很大一部分芯片。

2020 年，半導體產(chǎn)品中分立器件、光電器件和傳感器（非集成電路半導體）的全球銷售額大約為 790 億美元，占整個半導體市場（總額約4400 億美元）的近 18%。該類別中的大多數(shù)半導體產(chǎn)品都采用成熟的工藝節(jié)點，其價格便宜，單個產(chǎn)品價值一分錢是常見的情況。這類產(chǎn)品市場高度分散，制造商眾多。非集成電路半導體企業(yè)包括 ABB Ltd.（瑞典/瑞士）、InfineonTechnologies（德國）、STM Microelectronics（意大利/法國）、Toshiba（日本）以及美國公司 Diodes Inc.、Vishay Intertechnology、Qorvo、dPix 和Cree。非集成半導體產(chǎn)品（尤其是分立式功率半導體產(chǎn)品）的的關(guān)鍵驅(qū)動技術(shù)是電源管理和小型化方面的創(chuàng)新。這類產(chǎn)品以汽車，尤其是電動汽車為關(guān)鍵應用終端。美國主導的氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC) 和其他化合物半導體襯底是各種應用的關(guān)鍵技術(shù)。它們被廣泛用于電源管理和分配、高頻功率放大、光電子領(lǐng)域以及國家安全。平板顯示器半導體器件也屬于這一類。

在國家安全領(lǐng)域，半導體技術(shù)還必須符合在軍用溫度范圍（擴展范圍）和惡劣環(huán)境中使用的資格，包括在適當情況下用于輻射環(huán)境的技術(shù)特性。此外，還需要更嚴格和獨立的部件驗證和確認。用于汽車應用的半導體同樣必須滿足嚴格的耐久性和測試要求，以承受惡劣的環(huán)境條件（例如，極冷、極熱和極濕）。它們必須在車輛 10 到 20 年的整個預期壽命期間應對振動和沖擊，并且在測試中表現(xiàn)出比消費產(chǎn)品應用的半導體低得多的故障率，以確保它們滿足車輛安全要求。隨著車輛變得更加自主并采用越來越多的光探測和測距 (LiDAR)、聲納、雷達、視覺系統(tǒng)以及導航和識別技術(shù)，這些要求預計會增加并變得更加嚴格。

（待續(xù)）

2021年6月14日于北京

免責聲明：本文原創(chuàng)作者清華大學王志華教授，本文僅代表作者個人觀點，不代表薩科微及行業(yè)觀點，只為轉(zhuǎn)載與分享，支持保護知識產(chǎn)權(quán)，轉(zhuǎn)載請注明原出處及作者，如有侵權(quán)請聯(lián)系我們刪除。