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花旗国如何看待其半导体产品供应链的安全性(之二:集成电路制造)

发布时间:2022-03-09作者来源:萨科微浏览:828

(上接第一部分:集成电路设计)


四、关于集成电路制造


(一)花旗国关于集成电路制造行业的基本估计

 

 

半导体产品几乎为经济的各个部门提供驱动动力,包括能源、医疗保健、农业、消费电子产品、制造、国防和运输。2019 年全球对半导体的最终用途需求为:手机(26%)、信息和通信基础设施(包括数据中心、通信网络)(24%);计算机 (19%)、工业(12%)、汽车 (10%) 和消费电子 (10%)。

 

在这些不同的应用中,有大约9%直接支持国家安全和关键基础设施应用。这些关键的半导体产品最终用途包括国防和航空航天、电信网络、能源和公用事业、医疗保健和金融服务。国防和其他政府用途仅占全球半导体消费量的 1% 以上。

 


美国在全球半导体生产中的份额已从 1990 年的 37% 下降到今天的 12%,如果美国没有全面的战略来支持该行业,预计还会进一步下降。

 

美国制造能力不足:几十年来,美国的制造能力持续下降。本世纪的第一个十年对美国制造业来说尤其具有破坏性,在 2000 年至 2010 年间失去了三分之一的制造业工作岗位。中小型企业 (SME) 受到的打击尤其严重。下降的部分原因可归结于来自低工资国家的竞争。经济学家估计,大约 25% 的失业可归因于中国的崛起,尤其是在中国加入世界贸易组织之后。但美国已经还看到内部生产率增长停滞不前,与经济同行相比,例如,在平均水平和大多数行业中落后于德国。今天,在美国中小企业的生产率通常低于大型制造商。与“人工智能与机器人即将到来”的普遍看法相反,美国中小企业制造商对提高生产力新技术的投资不足。制造能力的丧失导致了创新能力的丧失。制造能力是产品创新的基础,创新能力一旦失去,就很难重建。近几十年来,当集成电路产能走向海外时,研发和更广泛的产业供应链往往随之转移到国外

 

 

(二)半导体产品供应链

 

从设计到封装,再到最终整合到客户购买的最终电子产品中,产业链极其复杂、地理位置极为分散。由于企业在特定环节的专业化,典型的半导体生产流程包括多个国家,产品可能跨越国际边界70次。整个过程最多需要100天,其中12天是供应链环节之间的中转,下图是供应链的简单表示。

 



 

半导体产品的尺寸小、重量轻是实现这样的跨地域的复杂物流的供应链的重要因素。与半导体产品的价值相比,运输它们的成本很低。然而,这也意味着运输路线的中断可能会造成供应链的风险。产业链中需要使用各种不同形式的运输(例如,空运、海运、卡车运输),这取决于阶段和要行驶的距离以及产品的性质。在某些情况下,运输还需要进行专门处理,例如处理制造过程中使用的危险和高纯度气体和化学品,或保护敏感电子设备免受损坏。

(三)半导体制造:产业结构

对晶圆进行加工、制造集成电路的生产厂有两种基本的行业模式。第一种是由垂直整合的半导体公司或 IDM企业。它们在企业内部完成半导体产品设计及制造过程中的全部步骤:从设计到最终测试。IDM企业约占全球半导体产能的三分之二。尽管美国领先的 IDM企业英特尔主要生产逻辑器件,但其他大多数 IDM企业主要生产 DRAM 等存储芯片、分立器件及模拟集成电路。除了英特尔之外,美国还有几家世界领先的 IDM企业,包括Analog Devices、Maxim Integrated Products、MicrochipTechnology、美光、安森美半导体和德州仪器。值得注意的是,这些公司虽然总部位于美国,但它们在世界各地的工厂完成最终产品的加工制造。例如,除了美国之外,英特尔还在以色列、爱尔兰和中国设置有晶圆加工制造厂。而总部位于韩国的三星和其他总部位于外国(注:非美国)的公司除了其国外(注:非美国)有制造厂之外,也在美国有生产芯片的工厂。依据SIA 报告称,美国半导体公司 44% 的产能位于美国。总体而言,美国的 IDM企业占 2020 年全球 IDM厂商营业总收入的 51%,美国在数字逻辑集成电路、模拟集成电路方面尤其强大。

 

还有另外一些多美国半导体产品领先企业(例如 AMD、博通、英伟达、高通和赛灵思)都采用“无晶圆厂半导体企业”的商业模式,这些公司将设计数据提供给专门从事半导体代工制造的独立公司,由这些代工企业加工制造成芯片成品。这些第三方代工厂被归类为“纯半导体代工厂”,因为它们不设计或销售自己的任何芯片产品,而是充当无晶圆厂半导体企业的合同制造商(这些代工厂有时会提供额外的产能或以其他方式为 IDM厂商生产某些芯片) )。一些 IDM企业,特别是三星,也为无晶圆厂半导体企业提供加工服务。

 

随着技术的进步,建造和维护最先进工艺半导体制造设施的成本飙升,无晶圆厂企业+代工业务模式变得越来越普遍。芯片制造技术的持续进步需要全新的、成本越来越高的制造设备。最先进的晶圆厂(在5nm 工艺节点)的成本至少为 120 亿美元。一台极紫外 (EUV) 光刻机(这种设备在 5 nm 或以下工艺节点是必需的,在7 nm工艺节点也常使用)的价格就高达1.5 亿美元。除了光刻机之外,晶圆厂还需要多种其他类型的设备。据估计,下一代晶圆厂(将在 3 纳米节点上运行)所需的投资可能超过 200 亿美元。此外建立新晶圆厂建立之后,运营成本将非常高,并且需要持续、昂贵的资本投资;也需要维持工艺设计人员所需的尖端技术,才能保持在最先进的生产节点上运行。纯粹的代工厂受益于规模经济宏大,这使他们能够以高而有效的产能利用率来消化和吸收的半导体工厂的巨额成本。据 SIA统计,纯晶圆代工厂约占全球芯片产能的三分之一。其中逻辑芯片产能占近大约80%。台积电(TSMC)是全球第一家纯晶圆代工厂,成立于1987 年,并在今天主导了代工市场。

 

代工市场由台湾企主导,仅台积电一家企业就占据代工市场53%的市场份额。总体而言,台湾代工企业占全球代工市场份额的 63%。韩国占 18%,中国占 6%。总部位于美国、阿布扎比拥有的代工厂 GlobalFoundries 拥有 7% 的份额,占代工市场剩余 13% 份额的一半以上。

 

如上所述,虽然美国在IDM 型企业产出的芯片市场的份额很大,但全球代工企业收入中,美国企业占比只有大约10%;亚洲的代工厂占据了大约 80% 的份额。仅台湾就占全球代工业务的 63%。这意味着虽然美国是半导体设计的领导者,但美国国内的无晶圆厂公司严重依赖外国代工企业制造产品,它们主要在亚洲。虽然这种代工商业模式适用于大批量商业应用的集成电路产品,但许多与国防相关的应用都是小批量的,这使得国防应用采用先进的半导体制造技术具有不确定性和挑战性。

 

 

对美国来讲,绝大多数半导体产品制造(由 IDM 和纯代工厂两种模式)在国外完成,它们是台湾、韩国、日本、中国大陆和美国本土。设置在美国本土的的半导体制造产能约占全球总量的 12%,远低于 1990年代的 37%。2019 年,台湾产能占全球装机容量的约 20%,紧随其后的是韩国,占 19%。日本占17%,中国占16%,欧洲9%。其余 6% 的产能位于新加坡、以色列和世界其他地区。

 

 

在位于美国的 40 家主要半导体制造工厂中,有一半 (20) 使用 300 毫米(12 英寸)晶圆生产;其他生产使用 200 毫米(8 英寸)或以下的晶圆。2009 年至 2018 年间,全球有超过 100 家 150-200 毫米晶圆制造厂关闭,其中 70% 的关闭地点位于美国和日本。据 IC Insights 称,多达 68 座晶圆制造厂已经使用了几十年,已经超出了它们的合理使用年限。关闭的晶圆制造厂部分是被更具成本效益或升级的新设施所取代;也有一些晶圆制造厂运营成本太高,相应的公司转向轻晶圆厂或无晶圆厂的商业模式

 

在美国本土,6家企业运营着 20 座 300 毫米晶圆厂,它们分布于美国的八个州,详情如下表所示。除 Skorpios 外,其他5个企业也在美国之外经营晶圆制造厂。

 

如上所述,英特尔在以色列、爱尔兰和中国都有半导体产品生产业务。除美国本土的晶圆制造厂外,美光还在新加坡、日本和台湾设有晶圆厂。而德州仪器在中国、马来西亚、台湾和菲律宾以及德克萨斯州都有晶圆生产。GlobalFoundries 是美国的领先的纯晶圆代工厂,由阿布扎比酋长国通过主权财富基金穆巴达拉拥有,并在德国和新加坡设有晶圆制造厂。2019年,该公司取消了在中国成都开设晶圆厂的计划。

 

虽然美国芯片制造产能相对稳定,但美国以外芯片制造的产能和产量正在增长,尤其是在亚洲。因此SIA 预测,到 2030 年,美国在半导体产能中的份额将下降至 10%,而亚洲份额将增长至 83%。2019年,全球6个新建设的的半导体生产设施中,没有一个在美国,但有4个在中国。

 

在本报告的“设计”部分的讨论中曾指出,本报告涵盖了三种主要的芯片类型:存储器,逻辑或者说数字电路,模拟电路。如下图所示,世界不同地区专注于不同的领域。例如,美国本土仅仅生产 5% 的存储芯片,而韩国生产的存储器芯片占 44%,中国大陆则占了 14%。在存储器领域,中国专注于长江存储的快速扩张,为公司提供(仅为其武汉工厂)就分配了 240 亿美元的补贴。该公司的扩张和低价产品对美国存储芯片制造商美光和西部数据构成了直接威胁。

 

在逻辑或者说数字芯片领域(例如计算机和手机微处理器),美国本土没有生产任何先进工艺节点(10 纳米以下)的芯片,而台湾占 92%。在其他逻辑芯片锁采用的工艺技术,美国更非常领先:在美国生产了 43% 的最先进(10-22 纳米)逻辑芯片,以及 6% 至 9% 的上一代(28 纳米及以上)逻辑芯片;这类逻辑芯片,在台湾生产了 47 %,而在中国大陆生产了大致 19% 到 23% 之间的逻辑芯片。最后,模拟/分立器件部分,在美国本土生产了 19% 的,中国生产了 17%,大致韩国 27%。

 

(四)、集成电路制造部分回顾

美国缺乏最先进工艺水平的生产能力:

 

美国缺乏最先进的半导体工艺节点(目前为 5 纳米)的半导体生产能力,这类先进工艺节点目前只有台积电(台湾)和三星(韩国)在运营。美国最先进的晶圆厂是由英特尔运营的 10 nm工艺线,预计要到 2023 年才能进入完整的 7 nm 生产,并于 2021 年 1月宣布将使用台积电的“增强型”7 nm 或以下生产线为其最新的逻辑电路产品。因此,美国无晶圆厂芯片公司现在几乎完全依赖亚洲生产商(尤其是台积电)来生产最先进(7 纳米或更小尺寸)的芯片。除了生产地域集中导致的供应链风险外,国内最先进技术能力的缺乏也引发了对国家安全的担忧,因为一些军事应用需要安全地获得最先进的工艺技术来保证技术优势。

 

芯片产品的销售收入依赖中国:

 

由于中国在电子产品生产领域的主导地位,美国芯片制造商也严重依赖对中国的销售。中国是最大的半导体产品市场,其中大部分半导体产品在装配到终端电子产品中被再出口,包括消费电子产品和电器。例如,《经济学人》在 2018 年的数据显示,手机芯片供应商高通有2/3的收入来自中国,内存制造商美光的收入有 57% 来自中国。英特尔在 2020 年报告称,中国占其收入 26%。。对中国销售的严重依赖为中国政府提供了经济影响力和报复美国的潜力。

 

中国引领半导体产业的愿望:

 

中国在全球半导体产业中的份额相对较小,其企业主要生产低端芯片。中国最先进的纯晶圆代工厂中芯国际(SMIC)只能在 14 纳米节点上生产,且产能有限。然而中国正处于国家主导的发展本土垂直一体化IDM产业的重大努力之中,目标是该产业到 2030 年将在所有领域处于领先地位。中国在半导体晶圆产能中的份额在 2019 年为 16%,但预计到2030 年将增长至 28%。中国政府正在为其半导体行业提供1000 亿美元的补贴,包括开发 60 个新的制造厂。正如在讨论供应链的“设计”部分时所讨论的那样,中国积极采取补贴措施发展本土内存芯片制造商,打破对全球三大内存公司的依赖:三星(韩国)、SK海力士(韩国)和美光(美国)。美国内存公司美光是长江存储的直接竞争对手,并且很可能是第一家看到其未来竞争力和创新能力因中国补贴为其竞争对手而受到威胁的美国公司。





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