在新时代强化全球集成电路供应链（3）

半导体是高度专业化的元器件，为电子设备提供处理、存储和传输数据的基本功能。今天的半导体大多是集成电路，也被称为“芯片”。芯片是一组微型电子电路，由有源分立器件（晶体管、二极管）、无源器件（电容器、电阻器）以及它们之间的互连组成，分层在半导体材料（通常是硅）的薄片上。现代的芯片很小，在一个只有几平方毫米的区域里封装了数十亿个电子元件。

虽然行业分类法通常描述30多种产品类别，但半导体可分为三大类：

1．逻辑器件（占行业收入的42%）

这些是在二进制代码（0和1）上运行的集成电路，作为计算的基本构建块或“大脑”：

微处理器是诸如中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）和应用处理器（AP）等逻辑产品，它们处理存储在内存设备上的固定指令以执行复杂的计算操作。应用程序包括移动电话、个人电脑、服务器、人工智能系统和超级计算机的处理器。

通用逻辑产品，如现场可编程门阵列（FPGA）不包含任何预先固定的指令，允许用户编程自定义逻辑操作。

微控制器（MCU）是单芯片上的小型计算机。微控制器包含一个或多个处理器核心以及存储器和可编程输入/输出外围设备。MCU在汽车、工业自动化设备或家用电器等无数电子产品中执行基本的计算任务。

连接产品，如蜂窝调制解调器、WiFi或蓝牙芯片或以太网控制器，允许电子设备连接到无线或有线网络以传输或接收数据。

2．内存（占行业收入的26%）

这些半导体用于存储执行任何计算所需的信息。计算机处理存储在内存中的信息，内存由各种数据存储或存储设备组成。目前最常用的两种半导体存储器是动态随机存取存储器（DRAM）和NAND存储器：

DRAM用于存储计算机处理器运行所需的数据或程序代码。它通常存在于个人电脑（PC）和服务器中。智能手机也在不断增加所需的DRAM内容，高级驾驶辅助系统（ADAS）等汽车电子应用对DRAM的需求也在不断增加。

NAND是最常见的闪存类型。与DRAM不同的是，它不需要电源来保留数据，所以它被用于永久存储。典型应用包括用作笔记本电脑硬盘驱动器的固态驱动器（SSD）或用于便携式设备的安全数字（SD）卡。

3. 分立、模拟器件和其他（DAO）（占行业收入的32%）

这些半导体传输、接收和转换处理温度和电压等连续参数的信息：

分立器件包括二极管和晶体管，设计用于执行单一电气功能。

模拟器件包括电压调节器和数据转换器，可将来自语音等源的模拟信号转换为数字信号。这一类还包括任何类型的电子设备中的电源管理集成电路，以及使智能手机能够接收和处理来自蜂窝网络基站的无线电信号的射频（RF）半导体。

其他产品还包括光电器件，如用于感测相机光线的光学传感器，以及各种各样的非光学传感器和执行器，这些传感器和执行器可以在各种物联网设备中找到。

半导体应用于所有类型的电子设备，跨越经济的主要领域（图2）。每个应用市场都需要上述三大类半导体。例如，移动电话的DAO内容（对于蜂窝连接、照相机和功率管理等功能来说是必不可少的）实际上与逻辑内容（包括随着每一代新电话的出现而提高计算能力的微处理器）和内存（用于在设备上存储数字内容）一样多。全球约65%的半导体收入来自于跨多个应用程序使用的通用组件。

对半导体的需求是高度全球化的。不同地区的半导体需求占全球半导体需求的份额不同，这取决于需求来源地的定义。虽然半导体通常由电子设备制造商采购，以制造其产品，但最终半导体需求是由购买这些设备的最终用户驱动的。这就是为什么，从地理角度来看，有三种不同的方法来衡量半导体需求的来源，并参考全球电子产品供应链中的替代点：

A．电子设备制造商总部所在地。这些公司是顾客在芯片公司中，购买半导体并使用到他们的设备中。电子设备制造商-通常被称为原始设备制造商（OEM）-通常设计他们的产品，并决定使用哪个供应商的组件。例如，在这种方法下，一家总部位于美国的公司开发的智能手机中的半导体将按美国需求计算，即使该产品可能是在另一个国家实际生产的。

B．设备制造/组装地点：原始设备制造商通常不制造他们的设备位于总部所在国或设计设备的工程团队所在国。相反，这些设备通常由位于不同国家或许多不同国家的制造厂组装，通常由通常称为原始设备制造商（ODM）或电子制造服务（EMS）的其他公司组装。这是成品半导体需要实际运送到的地点。例如，采用这种方法，一家美国公司设计的智能手机中的芯片，实际上是一家台湾承包商在中国大陆的工厂制造的，将被计算为中国的需求。

C．购买电子设备的最终用户的位置。考虑到半导体是元器件，半导体需求最终是由向最终用户（包括消费者和企业）销售电子设备驱动的。在我们的例子中，由一家美国公司设计但在中国组装的智能手机所含芯片的价值将分布在全球所有这些智能手机销售给消费者的国家。

图表3显示了全球半导体需求的地理分布，使用了这三种不同的视角：不同国家或地区的份额因标准不同而有很大差异。但这三种可能的方法都不被认为是“正确”的答案——它们只是反映了国家/地区在更广泛的电子行业中扮演的不同角色。

图3

考虑到电子设备制造商的位置（标准A），美国仍占全球半导体总需求的33%，是所有地区参与率最高的地区。

2019年，美国企业合计占比在大型个人电脑、信息和通信基础设施（包括数据中心和网络设备）应用程序市场占有约45%的市场份额，在智能手机和工业设备市场占有30%的市场份额。在过去10年里，中国的参与度增加了两倍，现在已经成为第二个明显的地区。这个中国作为半导体需求的主要来源国的崛起，是由其强大的市场力量推动的智能手机、个人电脑和消费电子产品领域的本土公司：华为、联想、小米和Oppo/Vivo等公司不仅在中国国内市场销售产品，而且是其他市场的主要竞争对手。

根据终端电子设备制造/装配位置标准（标准B），中国是排名第一的地区，反映了中国在电子制造业，特别是智能手机和消费电子产品方面的实力。作为全球主要的制造业中心，中国是2019年全球芯片销售总额的35%左右的目的地。但许多通过中国市场进入中国的芯片这一中间步骤最终不会作为中国最终用户购买的产品而被消费，而是作为中国制造设备的零部件再运往海外，出口到其他国家。

聚焦于设备有效销售给最终用户的地方（标准C）显示了半导体需求最终来自何处。根据不同应用类型的可用市场数据，我们估计中国消费者和企业购买的设备中包含的半导体含量价值约占2019年全球半导体收入的24%，几乎与美国（25%）持平，比欧洲（20%）高出几个百分点。然而，中国在全球半导体消费中所占的份额预计在未来5年内将继续增加，因为分析师预测，在大多数电子设备类别中，中国国内市场的增长将超过世界其他地区平均4-5个百分点。

图4

竞争前研究的目的是确定基础材料和化学工艺，以在设计架构和制造技术方面进行创新，从而实现计算能力和效率的下一次商业飞跃。它通常是科学和工程领域的基础研究，其成果通常在科学界广泛发表和分享，区别于专利研究和工业开发、设计和生产。竞争前基础研究与行业研发在质量上是不同的：这两种类型是互补的，而不是冗余的。事实上，竞争前研究已经被发现可以刺激和吸引产业研发。

从一种新的技术方法在研究论文中被引入到大规模商业制造的平均时间估计约为10-15年，但这可能比实现当前前沿技术的科学突破要长得多。例如，极端紫外线（EUV）技术是最先进的半导体制造节点的基础，从早期的概念演示到在晶圆厂的商业化实施，几乎用了40年时间。

虽然没有半导体行业的可用数据，但在大多数领先国家，基础研究通常占总体研发投资的15-20%。例如，在美国，随着时间的推移，它一直稳定在研发总量的16-19%。基础研究由来自私营公司、大学、政府资助的国家实验室和其他独立研究机构的科学家组成的全球网络进行，这些机构在联合研究工作中进行合作。

特别是，政府在推进基础研究方面发挥着非常重要的作用。美国半导体协会（SIA）先前对联邦研发的一项研究确定了8项重大的半导体技术突破，这些突破来自政府资助的研究项目。例如，砷化镓（GaAs）晶体管使智能手机能够建立到蜂窝塔的无线通信链路，是在20世纪80年代末国防部的微波和毫米波集成电路（MIMIC）计划中发明的。

对美国所有行业的研发总投资进行分析，可以对竞争前研究的规模和独特特征提供一些见解。根据美国国家科学基金会（National Science Foundation）收集的数据，美国联邦政府是基础研究的主要贡献者，2018年的投资占42%。另外30%的资金来自州政府、大学和其他非盈利研究机构，其余28%来自公司。相比之下，私营企业在应用研究和开发领域的份额接近80%，而应用研究和开发通常是在基础研究取得突破之后进行的。

图5

美国对半导体基础研究的资助似乎远远落后于应用研发的增长。上述SIA研究发现，2018年美国联邦政府对半导体相关研发（包括基础研究、应用研究和开发）的总体投资仅占美国半导体研发总量的13%。这一比例大大低于联邦政府资金在美国所有部门研发支出总额中所占的22%。事实上，在过去40年中，尽管美国私人对半导体研发的投资占GDP的比例增长了近10倍，但联邦政府的投资却一直持平。鉴于美国目前在整个半导体价值链中研发密集度最高的活动中所起的主导作用，基础研究资金缺口的影响可能超出美国企业的相对竞争力，并对整个行业保持其历史创新速度的能力造成风险。

相比之下，中国正在投入大量资金进行竞争前研究，作为其努力建设一个强大的国内半导体产业的一部分。在过去的20年里，中国一直在缩小与美国在总体研发支出上的差距。根据经济合作与发展组织（OECD）的数据，2018年，按绝对值计算，中国是全球第二大研发支出国：按购买力平价计算，中国的研发投资总额仅比美国低5%。然而，目前中国研发支出中只有约5-6%用于基础研究，大大低于所有其他研发投资水平高的国家。

中国3月份宣布的新的2021-25年五年计划明确将推进基础研究列为一个关键的优先事项。到2021年，中央政府的基础研究支出将增长11%，远远高于总体研发投资计划的7%和GDP增长6%的目标。在资金和资源方面，半导体被列为七个优先领域之一。

参与设计的公司开发纳米级集成电路，如计算、存储、网络连接和电源管理。设计依赖于高度先进的电子设计自动化（EDA）软件和可重用的体系结构构建块（“IP核”），在某些情况下还依赖于专业技术供应商提供的外包芯片设计服务。

设计活动主要是知识和技能密集型的：它占整个工业研发的65%，占增值的53%。事实上，专注于半导体设计的公司通常会将其年收入的12%至20%投资于研发。开发现代复杂芯片，例如为当今智能手机提供动力的“片上系统”（SoC）处理器，需要数百名工程师组成的庞大团队数年的努力，有时还需要利用外部IP和设计支持服务。随着芯片的日益复杂，开发成本迅速上升。一种新型的先进系统——旗舰智能手机芯片上系统的开发总成本，包括处理音频、视频或提供高速无线连接所需的专门模块，可能远远超过10亿美元。那些重用了以前设计的相当一部分或新的更简单芯片的衍生产品，可以在成熟节点中制造，开发成本仅为2000万至2亿美元。

高度专业的半导体制造设施，通常被称为“Fab”，将纳米级集成电路从芯片设计打印到硅晶片。每个晶圆包含多个相同设计的芯片。每片晶片的实际芯片数量取决于特定芯片的大小：它可以在为计算机或智能手机供电的数百个大型复杂处理器之间变化，对于打算执行简单功能的小型芯片，可能会有数十万个。

制造工艺的复杂，需要高度专业的输入和设备，以达到所需的微型精度。集成电路建在洁净室，设计用于保持无菌条件，以防止空气中的颗粒污染，从而改变形成电子电路的材料的特性。

根据具体产品，半导体晶片的整体制造过程有400至1400个步骤。制造成品半导体晶片的平均时间，称为周期时间，大约为12周，但完成先进工艺需要14-20周。它利用了数百种不同的投入，包括原晶圆、一般化学品、特殊化学品以及许多不同类型的加工和测试设备和工具，经过若干阶段（图6）。这些步骤通常重复数百次，这取决于所需电子电路的复杂性。

制造工艺技术的进展通常通过“线宽”来描述。“线宽”一词是指电子电路中晶体管门的纳米尺寸。一般来说，节点尺寸越小，芯片的功率越大，因为可以将更多晶体管放置在相同尺寸的区域。“摩尔定律”是芯片上的晶体管数量每18到24个月翻一番，但价格降低一半。摩尔定律为处理器自1965年以来性能和成本的持续提高奠定了基础。如今，智能手机、电脑、游戏机和数据中心服务器上发现的先进处理器都是在5到10纳米节点上制造的。利用3纳米工艺技术制造商业芯片的计划将于2023年左右开始。

尽管用于数字应用的逻辑和存储器芯片由于与较小节点相关的晶体管尺寸的缩放而受益匪浅，但其他类型的半导体，特别是上述分立、光电、传感器和模拟半导体，迁移到更小的节点，并不能达到相同的性能和成本效益，或者简单地使用不同类型的电路或架构，这些电路或架构在更小型化的线宽上无法工作。因此，如今大多数晶圆制造仍然使用较宽的线宽上进行，从目前的“领先线宽”5纳米用于高级逻辑，到用于分立、光电、传感器和模拟半导体的180纳米以上的线宽。事实上，目前全球仅2%产品用10纳米以下的线宽（图7）。

由于生产半导体所需的规模和复杂设备，前端制造业是高度资本密集型的。一个标准容量的最先进的半导体制造厂需要大约50亿美元（对于高级模拟制造厂）到200亿美元（对于高级逻辑和存储器制造厂）的资本支出，包括土地、建筑和设备。例如，这大大高于下一代航空母舰（130亿美元）或新核电站（40亿至80亿美元）的估计成本。专注于半导体制造的公司的资本支出通常占其年收入的30%至40%。因此，晶圆制造约占整个产业资本支出的65%和增加值的25%。主要集中在东亚（台湾、韩国和日本）和中国大陆。

这一阶段包括将晶圆厂生产的硅片转换成成品芯片，以便组装成电子设备。参与这一阶段的公司首先将硅片切成单个芯片。然后芯片被包装到保护框架中，并封装在树脂壳中。芯片在运到电子设备制造商之前要经过进一步的严格测试。

供应链的后端阶段仍然需要对专门设施进行大量投资。专门从事装配、封装和测试的公司通常将其年收入的15%以上投资于设施和设备。它比前端制造阶段需要相对较少的资本密集型和雇用更多的劳动力，但新的创新先进的封装制造正在改变这一业态。总体而言，2019年，该活动占行业资本支出总额的13%，贡献了行业增加值总额的6%。主要集中在台湾和中国大陆，最近还在东南亚（马来西亚、越南和菲律宾）建造新设施。

专注于半导体设计和生产活动的公司得到上游专业供应商生态系统的支持。

在设计阶段，电子设计自动化（EDA）公司提供复杂的软件和服务来支持半导体设计，包括专用集成电路（ASIC）的外包设计。在一个芯片中有数十亿个晶体管，最先进的EDA工具对于设计具有竞争力的现代半导体是必不可少的。

核心IP供应商授权可重用组件设计（通常称为“IP块”或“IP”）具有定义的接口和功能，以便设计公司将其集成到芯片布局中。这些还包括与每个制造过程节点相关的基础物理IPS，以及许多接口IPS。EDA和核心IP供应商在研发方面投入了大量资金，约占其收入的30%至40%，并在2019年约占行业增加值的4%。

半导体制造业在制造过程中的每一步都使用50多种不同类型的精密晶圆加工和测试设备，这些设备由专业供应商提供(附件8）

光刻工具是制造厂商最大的资本支出之一，它决定了一个工厂生产芯片的先进程度。先进的光刻设备，特别是那些利用极端紫外线（EUV）技术的设备，需要在7纳米及以下制造芯片。一台EUV机器的成本可能是1.5亿美元。

计量和检验设备也是半导体制造过程管理的关键。由于该过程涉及一到两个月的数百个步骤，如果在过程的早期出现任何缺陷，则在随后耗时步骤中所进行的所有工作将被浪费。因此，在半导体制造过程的关键点，应建立严格的计量和检验过程，以确保确定和保持一定的产量。

现代工厂还拥有先进的自动化和过程控制系统，用于直接设备控制、自动化材料运输和实时批量调度，许多最新的设施几乎完全自动化。

半导体制造设备还包括许多具有特定功能的子系统和组件，例如光学或真空子系统、气体和流体管理、热管理或晶圆处理。这些子系统由数百个专门供应商提供。

开发和制造这种先进、高精度的制造设备，也需要大量的研发投入。半导体制造设备公司通常将其收入的10%至15%投资于研发。2019年，半导体设备制造商供应商占研发的9%，占行业增加值的11%。

最后，参与半导体制造的公司也依赖于专业的材料供应商。半导体制造业使用多达300种不同的输入，其中许多输入同时也需要先进的技术来生产。例如，用于制造随后切片成晶圆的硅锭所用多晶硅的纯度水平要求比太阳能板所需水平高1000倍，主要由4家公司提供，全球市场份额合计在90%以上。图9显示了2019年全球半导体制造材料在前端和后端制造中使用的关键系列的销售明细。

主要前端材料包括：

多晶硅：是一种冶金级硅，纯度超精，适用于半导体晶圆生产。

硅片：多晶硅被熔化，形成单晶锭，然后被切成薄片，清洁，抛光，氧化，为在制造设施内的电路压印做准备。

光刻掩模：平版印刷过程中用的一种覆盖有图案的印版。这些图案由不透明和透明的区域组成，这些区域阻止或允许光线通过。

光刻胶：一种特殊材料，在光照下发生化学反应。硅片上覆盖有光刻胶层，光刻胶层在光刻过程中压印有光掩模中包含的图案。

湿加工化学品：用于半导体制造过程中的蚀刻和清洗步骤，包括溶剂、酸、蚀刻剂、剥离剂和其他产品。

气体：用于保护晶圆免受大气照射。其他气体在半导体制造过程中用作掺杂剂、干蚀刻剂和化学气相沉积（CVD）。

化学机械平坦化（CMP）泥浆：

用于在薄膜沉积步骤后抛光晶圆表面以提供平坦表面的材料。

后端材料包括引线框架、有机基板、陶瓷封装、封装树脂、键合线和芯片连接材料。与上述晶圆制造材料相比，它们通常具有相对较低的生产技术壁垒。

这些高度专业化材料的生产是在大型工厂进行的，这也需要高投资。年度资本支出中硅片、光刻胶或气体的全球供应商通常占其收入的13%至20%。总的来说，2019年，材料供应商占总资本支出的6%，占行业增加值的5%。

半导体是设计和制造非常复杂的产品。因此，半导体行业呈现出高研发和高资本密集的双重态势。总体而言，我们估计，2019年，该行业在全球价值链所有活动中的研发投资约为900亿美元，资本支出约为1100亿美元。这两个数字加起来几乎占同年全球半导体销售额4190亿美元的50%。

如上图4所示，虽然65%的行业研发投资（不包括竞争前研究）是在价值链的设计层进行的，但在EDA和核心IP、半导体设备和晶圆制造方面也有重要的研发活动。同样，晶圆制造业占整个产业资本支出的65%，但组装和测试、材料甚至设计也需要对先进的设施和设备进行大量投资。

考虑到企业在整个全球价值链上的投资，没有任何一个行业在研发（占芯片总收入的22%，领先于制药）和资本支出（占芯片总收入的26%，领先于公用事业）方面具有相同的高强度(图10。）这种极高的投资强度导致需要大规模的全球规模和专业化。

自20世纪60年代半导体工业诞生以来，它的结构已经从最初的只有垂直整合的公司进行所有生产阶段的形式演变而来。技术复杂性的急剧增加和对规模的需求，使得设计（以研发的形式）和制造（以资本支出的形式）需要大量投资来保持创新的步伐，这有利于专业参与者的出现。

如今，半导体公司可能专注于供应链的一个层面，或者跨多个层面进行垂直整合。没有一家公司，甚至整个国家，在所有领域都是垂直整合的。根据集成度和商业模式的不同，半导体公司有四种类型（图11）：集成器件制造商（IDM）、无晶圆厂设计公司、Foundry和外包组装和测试公司（OSAT）。

图11

IDM跨价值链的多个部分进行垂直整合，执行设计；制作；以及内部组装、包装和测试活动。在实践中，一些IDM有混合的“Fab-lite”模型，它们将一些生产和装配外包出去。

在该行业的最初几十年中，IDM模式占主导地位，但在研发和资本支出方面的投资规模迅速增加，同时需要规模和专业化，这导致了无晶圆厂铸造模式的出现。

目前，IDM模型在专注于内存和DAO产品的公司中更为常见，这些产品主要是通用组件，更具可扩展性。2019年，IDM约占全球半导体销售额的70%。

无晶圆厂的公司选择专注于设计和外包制造以及组装、封装和测试。无晶圆厂的公司通常将制造外包给纯粹的Foundry和OSAT。自20世纪90年代以来，随着创新步伐的加快，许多公司越来越难以管理制造业的资本密集度和设计的高水平研发支出，无晶圆厂模式随着对半导体的需求而发展。随着技术难度和前期投资随着向小型制造节点的转移而飙升，无晶圆厂企业占半导体销售总额的比例从2000年的不到10%上升到2019年的近30%。

逻辑芯片基本上是无晶圆厂企业的领域，除了英特尔（Intel），以及最近规模较小的三星（Samsung）。这一动态是由于市场要求提高功率和性能能力，以支持智能手机和新兴前沿应用程序在人工智能和高性能计算领域的快速循环。

Foundry解决了无晶圆厂企业和IDM的制造需求，因为大多数IDM没有足够的内部安装制造能力来满足其所有需求。这种商业模式使铸造厂能够分散与大型前期资本支出相关的风险，这些资本支出是在设计公司和IDM的更大客户范围内建立现代工厂所需的。大多数Foundry只专注于为第三方制造芯片，尽管一些具有强大制造能力的IDM除了自己的芯片外，也可能选择为其他厂商制造芯片。

撇开内存不谈，Foundry在过去五年中为DAO和逻辑产品增加了60%的行业增量产能。目前，Foundry占整个工业生产能力的35%，如果不包括内存，则占50%。在使用更先进的12英寸/300mm晶圆尺寸的高级（14纳米或以下）和后续线宽（20到60纳米）中，它们的份额上升到78%。此外，目前能在领先的5纳米线宽上生产的仅有两家公司是Foundry。

OSAT根据合同向IDM和无晶圆厂提供封装和测试服务。这部分供应链最早是由一些美国IDM在20世纪60年代开始离岸的，因为它的资本密集度较低，对低技能劳动力的需求也较低。无晶圆厂模式也导致了专门的OSAT公司的出现

上述经济因素，加上生产半导体所需的复杂技术方面的深厚专业知识，为供应链核心活动的进入创造了自然障碍，导致每个活动的供应商基础相对集中。

在制造业，建设新产能所需的前期投资规模之大作为一个主要的障碍。举例来说，2015年至2019年间，前五大铸造厂的年度资本支出总额约为750亿美元，平均每家公司每年30亿美元，相当于其年收入的35%以上。

虽然半导体设计不需要大量的资本支出，但其高研发强度也创造了显著的规模优势，成为进入的障碍。例如，前五大无晶圆厂企业在2015年至2019年的5年间，在研发方面投入了680亿美元，平均每家企业每年投入28亿美元，相当于其收入的22%。

只有规模非常大的公司才有可能从这些巨额投资中获得令人满意的回报。这就是为什么在半导体供应链的不同活动中，全球前三大厂商通常占各自部门收入的50%至90%。