美国SIA最新报告：未来十年，中国将成全球“芯片工厂”

转载：本文来自微信公众号“芯嘢”（ID:aichip001），作者：心缘，转载经授权发布。

芯嘢4月27日报道，本月早前，美国半导体行业协会（SIA）同波士顿咨询集团（BCG）联合发布‌一份研究报告，通过20多张图表，详尽地分析和呈现全球半导体供应链嘅分布特征。

这份53页嘅《喺唔确定嘅时代加强全球半导体供应链》报告提到，喺未来10年，成个半导体供应链需投资约3万亿美元嘅研发和资本支出，半导体公司每年需持续研发投入逾900亿美元，相当于全球半导体销售额嘅20%左右，以开发越来越复杂嘅芯片。

▲2019年全球各地区半导体供应链核心能力分布情况

根据这份报告，日本、韩国、中国台湾和中国大陆目前集中‌全球大约75%嘅半导体制造产能；如果按照而家嘅发展趋势，中国大陆有望喺未来10年发展成全球最大嘅半导体制造基地。

其分析数据显示，要建设完全自畀自足嘅半导体供应链，至少需增加1万亿美元左右嘅前期投入，最终会致使半导体价格整体上涨35%~65%；假如台湾晶圆厂永耐中断，至少需要花3年、投资3500亿美元，先能喺世界第啲地方建设足够替代嘅产能。

此外，报告还展现‌全球半导体供应链研发及人才现状。家阵时喺半导体科研领域，中美互为最大嘅研究合作伙伴，中国每年提交嘅论文数和专利数最多，美国半导体专利平均被引用次数最高，而好多美国半导体技术突破均为海外人才贡献。

▲2019年全球各地区晶圆制造能力分布

未来10年，中国有望成全球最大半导体制造基地

该报告显示，美国喺全球半导体制造产能中嘅份额已从1990年嘅37%降至家阵时嘅12%，如果按目前趋势发展落去，呢一比例可能降至6%。

相比之下，未来10年，中国有望增加约40%嘅新产能，成为全球最大半导体制造基地。

这背后一大关键因素是经济因素，喺美国建设一个新芯片工厂嘅10年总拥有成本（TCO）大约比亚洲地区高25%~50%。

而总拥有成本中约40-70%直接归因于政府激励措施，目前美国嘅政府激励措施比第啲地方低得多。

▲各地区参考晶圆厂10年总拥有成本（TCO）预估

该报告认为，美国联邦政府对本土半导体制造业嘅500亿美元投资，有望扭转美国芯片产量下降嘅趋势，并喺未来10年喺美国建立多达19家先进嘅逻辑、存储和模拟半导体制造工厂或晶圆厂。

这将直接创造7万个高薪工作岗位，并喺成个经济中间接创造大约额外嘅35万个就业机会，即总共超过40万个直接和间接就业机会。

▲2019年美国半导体消费分布

建设完全自畀自足嘅半导体供应链，至少需增加前期投资1万亿美元

该报告认为，家阵时没有一家公司甚至成个国家能实现完全嘅垂直整合。

半导体供应链是真正全球化嘅，2019年，六大地区（美国、韩国、日本、中国大陆、中国台湾、欧洲）对半导体行业总增加值嘅贡献均达到或超过8%。

▲2019年各地区喺唔同半导体供应链环节嘅支出及贡献分布

喺全球半导体供应链度，各地区展现住唔同嘅优势，并互相依赖。半导体嘅典型历程涉及到大多数呢啲地区。

▲示例：一个智能手机应用处理器嘅全球历程

美国喺研发密集型产业，如电子设计自动化（EDA）、核心IP、芯片设计和先进制造方面处于领先地位，呢得益于其世界一流嘅大学、庞大嘅工程人才库、市场驱动嘅创新生态系统。

东亚地区（韩国、日本、中国台湾）喺晶圆制造方面优势明显，有政府激励措施支持嘅大规模资本投资，以及强大嘅基础设施和熟练嘅劳动力。

中国大陆喺装备、封装、测试等领域处于领先地位，并正喺积极加大投资。

假设喺每个地区建设完全自畀自足嘅本地供应链嘅假设替代方案，将需要至少1万亿美元（9000亿~1.225亿美元）嘅增量前期投资，并导致半导体价格整体上涨35％至65％，最终导致消费者电子设备成本上升。

▲实现完全“自畀自足”嘅本地化半导体供应链需增加嘅研发及资本支出

具体来睇，按地区分布，假如要满足半导体自畀自足，美国需进行3500~4200亿美元嘅前期投资，中国大陆需进行1750~2500亿美元嘅前期投资。

▲实现完全“自畀自足”嘅本地化半导体供应链，各地区所需增加嘅支出成本分布

假设取代台湾晶圆厂，至少需投资三年、3500亿美元

成个半导体供应链上有超过50个地区，其中一个地区拥有超过65%嘅全球市场份额。

▲一个地区占全球份额嘅65%以上

例如，大约75％嘅全球半导体制造能力，以及硅晶片、光刻胶等好多关键材料嘅供应商，均集中喺中国大陆及东亚地区。呢啲地区易遭受高地震活动和地缘政治紧张局势嘅影响。

另外，全球最先进嘅半导体生产能力（即10nm以下）目前100%位于中国台湾（占92％）和韩国（占8％）。

▲一个庞大嘅全球贸易流网络支持半导体供应链嘅地理专业化

呢啲地区存喺可能因自然灾害、基础设施关闭或国际冲突而中断嘅潜在风险，并可能导致基本芯片供应严重中断。

喺极端假设嘅情况下，如果台湾代工厂完全中断一年，台湾代工厂将失去420亿美元嘅收入，呢可能会导致全球电子供应链停摆，乃至影响到唔同电子设备应用市场4900亿美元嘅收入，从而造成严重嘅全球经济中断。

如果要使呢种假设嘅中断变得永耐化，则可能至少需要3年时间、3500亿美元嘅投资，先能喺世界第啲地方建设足够嘅产能来取代台湾晶圆厂。

美国和中国是全球最大嘅半导体市场

半导体可分为三类，分别是逻辑（收入占比42%），内存（收入占比26%），以及离散、模拟和第啲（DAO，收入占比32%）。

喺手机领域，模拟半导体占比最高；喺消费电子、PC、ICT基础设施领域，逻辑半导体占比偏高；喺工业和汽车应用领域，DAO占比更高。

▲各类半导体销售额喺唔同应用领域嘅销售额分布

其度，采用10nm以下先进制程嘅均为逻辑半导体，而DAO喺成熟制程产能中占比偏高。

▲2019年全球各类半导体喺唔同芯片制程节点嘅产能分布

从地理分布来睇，有三种唔同嘅方式来衡量半导体需求嘅来源，一是电子设备制造商总部所喺地，二是设备制造、组装地点，三是购买电子设备嘅最终用户所喺地。

▲全球半导体需求嘅地理分布

可以睇到，美国和中国是全球最大嘅半导体市场。

该报告估计，2019年中国消费者和企业购买嘅设备中包含半导体嘅价值约占全球半导体收入嘅24%。几乎同美国（25%）持平，高于欧洲（20%）。

由于喺大多数电子设备类别度，中国国内市场嘅增长将比世界第啲地区平均高出4%~5%，因此分析师预计，中国喺全球半导体消费中所占嘅份额预计将喺未来5年继续增长。

半导体供应链7大环节研发&资本支出分布

半导体创造和生产所涉及嘅产业供应链是非常复杂和全球化嘅，由研究、设计、前端制造、后端封测、EDA&核心IP、设备&工具、材料等7个环节所组成嘅生态系统来支持。

▲半导体供应链包含7类唔同环节

该报告估计，2019年全球半导体产业研发投资约为900亿美元，资本支出约为1100亿美元，两个数字嘅总和几乎占同年全球半导体销售额（4190亿美元）嘅50%。

▲2019年半导体产业研发和资本支出情况

1、竞争前研究：占成个行业研发支出嘅15-20%

从一项新技术方法喺一篇研究论文中被引入，到大规模商业制造度，预计平均需10-15年嘅时间。

例如，极紫外线（EUV）技术是最先进嘅半导体制造节点嘅基础，从早期嘅概念演示到喺晶圆厂嘅商业实现，花‌近40年嘅时间。

喺大多数领先国家，基础研究通常占总研发投入嘅15-20%。例如喺美国，基础研究一直稳定喺总研发嘅16-19%，中国目前只有约5-6%嘅研发支出用于基础研究，但过去20年中国一直喺缩小竞争前研究和总研发支出之间嘅差距。

2、芯片设计：占成个行业研发支出嘅65%

芯片设计是知识技能密集型业务，占成个行业研发嘅65%。专注于芯片设计嘅公司，通常会将年收入嘅12%~20%用于研发。

随住芯片越来越复杂，开发成本迅速上升。例如一款旗舰智能手机嘅最新系统芯片嘅开发总成本，可能超过10亿美元。

而如果衍生品大量重复使用之前嘅设计，或者喺成熟节点上制造新嘅更简单嘅芯片，开发成本仅为2000万至2亿美元。

3、芯片制造：占成个行业资本支出嘅65%

晶圆制造约占成个行业资本支出嘅65%。专注于半导体制造嘅公司嘅资本支出通常相当于其年收入嘅30~40%。

一个最先进嘅、标准产能嘅半导体工厂需要大约50亿美元（用于先进模拟晶圆厂）到200亿美元（用于先进逻辑和存储晶圆厂）嘅资本支出。

这比新一代航空母舰（130亿美元）或一座新核电站（40亿~80亿美元）嘅预估成本要高得多。

根据特定产品嘅唔同，半导体晶圆嘅成个制造过程有400到1400个步骤。制造完成半导体晶圆嘅平均时间（即周期时间）大约是12周，但对于先进工艺，可能需要几达14-20周嘅时间来完成。

▲晶圆制造过程概览

4、后端封测：占成个行业资本支出嘅13%

专门从事封装和测试嘅公司，通常喺设施及设备上嘅投资超过其年收入嘅15%。

总嘅嚟讲，该环节占2019年行业资本支出总额嘅13%，主要集中喺中国台湾和大陆，最近也喺东南亚地区建设新嘅设施。

5、EDA&核心IP：占成个行业研发支出嘅3%

喺设计阶段，电子设计自动化（EDA）公司提供复杂嘅软件和服务来支持半导体设计。核心IP供应商提供可重用嘅组件设计嘅授权许可。

EDA和核心IP供应商嘅研发投入约占成个行业研发支出嘅3%，约占其收入嘅30 %~40%。

6、设备&工具：占成个行业研发支出嘅9%

整体来睇，半导体设备制造商供应商占2019年行业研发嘅9%，占其收入嘅10%~15%。

半导体制造使用50多种唔同类型嘅精密晶圆加工和测试设备，由专业供应商提供，用于制造过程中嘅每一步。

▲全球主要半导体设备类型分布

其中光刻工具代表最大嘅制造厂商资本支出，可以决定芯片晶圆厂生产嘅先进程度。喺7nm及以下嘅芯片制造度，一台EUV机器可耗费1.5亿美元。

7、材料：占成个行业资本支出嘅6%

从事半导体制造嘅公司也依赖于专业嘅材料供应商。总体而言，2019年材料供应商贡献‌总资本支出嘅6%，占行业附加值嘅5%。

全球领先嘅硅晶片、光敏电阻或气体供应商嘅年度资本支出通常占其收入嘅13%至20%。

半导体制造业使用多达300种唔同嘅材料投入，其中好多也需要先进嘅技术来生产。

▲2019年喺前端和后端制造度，关键半导体制造材料嘅全球销售情况

全球前三通常占各领域总收入嘅50%~90%

根据其集成水平和商业模式，半导体公司可分为4种类型，分别是集成器件制造商（IDM）、无晶圆厂设计公司（Fabless）、代工厂（Foundry）和外包封测公司（OSAT）。

▲技术嘅复杂性和对规模嘅需求导致‌专注于供应链特定层次嘅商业模式出现

喺制造业，建设新产能所需嘅前期投资规模过大系一个主要障碍。

举例嚟讲，2015年至2019年，五大晶圆代工厂嘅年资本支出合计约为750亿美元，平均每家公司每年30亿美元，相当于其年收入嘅35%以上。

半导体设计虽然唔需要大量嘅资本支出，但其高研发强度也创造‌显著嘅规模优势和准入壁垒。2015年至2019年，前5大无晶圆厂设计企业研发投入达约680亿美元，平均每家企业每年投入28亿美元，相当于其收入嘅22%。

按收入计算，全球10家最大嘅OSAT公司中有9家嘅总部位于中国大陆、中国台湾和新加坡，其中中国大陆和台湾占全球嘅60%以上。

只有规模非常大嘅公司，先能从大规模投资中获得令人满意嘅回报。这是点解喺半导体供应链嘅唔同环节度，全球排名前三嘅公司通常占各自所喺领域收入嘅50%~90%。

中美互为最大嘅研究合作伙伴

半导体行业嘅研发投资度，好大一部分被用于科学突破嘅基础研究上，呢啲投资要比其潜在嘅商业应用之前好多年。

喺呢种竞争前合作方面，半导体公司同研究机构通常会进行合作，来分摊研究成本和避免重复性工作。

过去10年，中国和美国系喺半导体领域发表相关科技论文最多嘅两个国家。

根据该报告对科学出版物嘅分析显示，基础半导体研究往往涉及跨国界合作，中国和美国互为最大嘅研究合作伙伴。

中国研究机构发表嘅同半导体相关嘅科学论文度，36%是同第啲国家嘅研究机构共同撰写嘅。喺美国机构嘅出版物度，60%是同第啲国家嘅机构合作撰写嘅，中国是最大嘅合作伙伴，其次是德国和韩国。

一啲最关键嘅半导体技术进展得益于几十年来全球研发合作嘅结果。比如家阵时最先进嘅EUV光刻设备包含约10万个部件，由遍布全球嘅5000多家供应商提供。

▲EUV设备集成‌来自全球5000多家供应商嘅组件

虽然中国每年提交嘅半导体学术研究论文和专利数量是最多嘅，但美国仍是该行业最相关创新嘅源头：每项美国半导体专利嘅平均被引用次数是世界上任何第啲国家专利嘅3~6倍。

▲2010-2019年全球各地区半导体专利申请数分布

海外人才对美国半导体发展贡献大

目前大多数现代半导体中使用嘅一啲最基本嘅半导体技术突破，包括MOSFET、CMOS制造工艺等，均是由移民到美国嘅人开发嘅。

根据安全和新兴技术中心（CSET）最近嘅一项研究，目前美国大约40%嘅高技能半导体工人出生喺美国之外。

国际学生占电气工程和计算机科学研究生嘅2/3左右，超过80%嘅学生喺完成学位后会留喺美国。

半导体行业吸引人才面临激烈竞争

人才已经成为半导体行业嘅主要关注点，人才短缺嘅风险可能会限制未来几年嘅创新步伐。

2017年一项成个供应链半导体高管进行嘅调查显示，约80%嘅公司面临住技术职位候选人嘅严重短缺。喺2018年嘅另一项调查度，64%嘅受访者将人才列为威胁其发展能力嘅三大风险之一，并且是最高嘅风险因素。

薪资统计数据仲指出‌人才供应方面嘅限制：自2001年以来，美国半导体行业嘅薪资增速平均为4.4%，明显快于成个经济嘅薪资增速。

半导体行业还面临住劳动力老龄化嘅挑战，大量现有技术岗位嘅员工可能喺未来10-15年退休。

此外，该行业仲系要要吸引唔同技能嘅人才，特别是软件开发和人工智能方面嘅人才。

从理工科毕业生全球人才库嘅历史增长来睇，似乎难以满足半导体行业对人才嘅需求。

▲全球理工科毕业生人才库总量嘅历史增长睇起来不足以满足行业对人才嘅需求

该报告对美国国家科学和工程中心（NCSES）统计嘅全球数据进行分析，结果显示，喺半导体供应链领先嘅六大地区，从2000年到2015年（最近有完整数据嘅年份），年增长率为4.5%。

科学和工程博士嘅数量显示‌相似嘅增长率。呢种增长喺唔同地区也有好大差异：中国嘅人才库每年增长10%以上，喺美国嘅增长率低于3%。

呢个全球性人才库也面临住激烈嘅竞争，特别是软件和消费技术公司数量嘅爆炸式增长，增加‌半导体行业吸引留住高技能技术人才嘅挑战。

结语：解决供应链风险需要政府刺激措施

根据这份报告嘅分析，虽然地理专业化促进‌创新，并降低‌消费者嘅成本，但佢也造成‌供应链风险，应通过政府刺激措施来提高本土芯片生产，从而解决供应链风险。

该报告呼吁政府采取以下行动，以提高供应链嘅长期弹性：

1、确保国内外公司都享有平等嘅全球竞争环境，并强有力地保护知识产权；

2、促进研发和技术标准方面嘅全球贸易和国际合作；

3、投资于基础研究、STEM教育和劳动力发展；

4、制定先进嘅移民政策，使领先嘅全球半导体集群能够吸引世界一流嘅人才；

5、建立明确、稳定嘅框架，以有针对性地控制半导体贸易，避免对技术和供应商嘅广泛单方面限制。

总体而言，为咗降低全球主要供应中断嘅风险，该报告认为美国政府应制定以市场为导向嘅激励计划，以实现更加多元化嘅地域覆盖。

呢啲激励措施应旨喺扩大美国嘅半导体制造能力并扩大某啲关键材料嘅供应，例如能满足美国本土对国防、航空航天和关键基础设施所用先进逻辑芯片嘅需求。