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【深度观察】美国,如何主导全球芯片产业?

发布时间:2022-06-09作者来源:【芯查查】徐晓颖浏览:829

作为芯片技术和产业的发源地,美国长久以来凭借先发优势成为该领域的先驱者,通过技术、市场、产业链等方面引领主导着全球芯片产业的发展。

随着全球芯片制造产能持续向亚洲转移,以及在新冠疫情导致供应链受到冲击下,美国的制造环节短板暴露,芯片产业领头羊优势被削弱。

看着其他国家的芯片“大楼”越建越高,这令美国有些焦虑,并采取一系列政策、市场手段介入追赶,以期重回世界半导体霸主地位。

 

技术和产业先发优势

 

得益于在计算机和互联网产业两方面的提早布局,世界半导体工业最先在美国萌芽并逐步完成积累,成为其技术优势之一。

 

作为技术和产业的发源地,美国一度领导全球半导体与集成电路的发展。

 

上世纪80年代中期前,美国一直稳坐世界半导体老大的位置,并占据世界半导体市场50%以上的份额。后来,日本以DRAM存储产品为突破点,凭借当时汽车产业和全球大型计算机市场的东风得以迅速崛起,在微电子、半导体、存储器等领域超越了美国,使美国在世界半导体市场所占份额降低到37%。

 

为了重夺半导体市场,美国政府以反倾销名义令日本政府调整产业政策。在技术层面上,美国政府还在1987年联合14家企业建立了半导体制造技术联盟(即Sematech)主攻IC制造工艺及其设备,以对抗日本在存储方面的先进技术。1990年代中期以来,通过该联盟已经获得成效。1996年联盟董事会决定中止财政补贴后,开始将工作重点从美国半导体产业转移到更大的国际半导体产业。通过这些方式的布局,美国半导体企业重新回到世界第一的地位。

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1990年Gartner所统计的全球前十大半导体企业。图片来源:维基百科

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1996年Gartner所统计的全球前十大半导体企业。图片来源:维基百科

 

美国早期芯片行业的发展同国防军工密不可分,美国政府利用产业政策和科学政策培育了芯片公司的多元化生态体系。20世纪60年代,美国军用芯片市场占比超过了80%。1999 —2001年全球共有近千亿美元风险投资涌入“新经济”创业领域,其中80%投向美国。借助“信息高速公路”战略和科技股的创富效应,美国芯片产业走在了世界各国的前面,并延续至今。

 

2021年,美国半导体行业协会(SIA)发布数据显示,全球半导体销售额达到5560亿美元,美国半导体公司的销售额总计2580亿美元,占全球市场的46%,为全球最高。韩国为销售额全球占比为21%,欧洲和日本为9%,中国台湾地区为8%,中国大陆为7%。

 

IC Insights 2022最新报告显示,在IDM销售额47%份额和无晶圆厂销售额68%份额的推动下,美国公司在2021年占据了全球IC市场总量的54%。

 

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 图片来源:半导体产业纵横

 

尽管几十年来美国半导体地位多次受到挑战,但由于美国市场具有较强的韧性和“跑得更快”的能力,美国半导体产业仍是全球市场的领导者。美国半导体公司在研发、设计和制造工艺技术方面保持着领先或极具竞争力的地位。

 

完善的产业链体系

 

得益于美国一流的大学、技术移民政策和市场驱动的创新生态系统,美国构建了全球最完善的芯片产业链。

 

美国西海岸聚集了苹果、脸书、亚马逊、谷歌、微软和特斯拉全球六大科技巨头,尽管这些企业不直接生产芯片,但却为美国芯片产业提供了庞大的市场。20世纪的个人计算机时代,确立了以英特尔和超威半导体处理器为主的江湖地位;21世纪智能手机的兴起,又催生了高通和博通这样的通信芯片设计巨头;而在人工智能时代,又崛起了英伟达这样的后起之秀。近年来,美国企业在全球芯片产业的市场份额超过50%,远远领先于排名第二的韩国(约为20%)

 

在芯片设计、晶圆代工、芯片设计生产一体化、电子设计自动化(EDA)、设备和封测领域,美国均有全球领先的企业。

 

芯片设计前十名的美国公司合计占据了超过55%的全球市场份额。英特尔和超威半导体是全球最大的两家计算机处理器芯片公司,合计占有90%以上市场份额。全球五大芯片设备公司,有三家是美国企业。全球晶圆代工排名第三的格芯占有约9%的全球市场份额。美光是全球第三大动态随机存取存储器存储芯片厂商,同时也名列全球六大闪存厂商。德州仪器和亚德诺半导体(ADI)是全球最大的两家模拟芯片企业。安靠科技是全球第二大封测代工厂。泰瑞达是全球第二大测试设备公司。

 

目前,其他国家都不具备美国这样完整的芯片生态体系,也缺乏相应的人才和科研资源。美国政府将芯片视为战略性、基础性和先导性的产业,制定了关键的技术路线图,明确不以短期盈利能力为目标。美国政府正在人才、投资、税收、基础设施建设等方面创造一个良好的产业环境,来确保美国保持其在技术前沿的领先地位。

 

美国半导体产业在半导体研发和芯片设计方面处于全球领先地位。对于美国公司而言,无晶圆厂企业和集成设备制造商(IDMs)合计占全球半导体销售份额的近50%,主要是因为美国能及时获得高技能工程人才以及蓬勃发展的创新生态系统,尤其是来自一流大学的创新生态系统。

 

美国半导体设计能力全球领先。半导体设计是知识和技术密集型产业,占整个半导体产业研发的65%和附加值的53%。专注于半导体设计的公司通常会将其年销售额的12%~20%投入研发。现代复杂芯片的开发,需要数百名工程师的多年努力,有时还需要利用外部IP和设计支持服务。随着芯片变得越来越复杂,开发成本迅速上升。目前,美国无晶圆厂公司约占全球无晶圆厂公司总销售额的60%,一些拥有设计能力的大的IDM公司也都是美国公司。

 

美国半导体产业的研发支出一直处于高位。2021年,包括fabless公司在内的美国半导体公司的研发和资本支出总额为906亿美元。其中研发方面的投资总额为502亿美元,过去二十年,复合年增长率约为5.9%。平摊到每名员工的总投资(以研发、新厂房和设备总投资衡量)增长到创纪录的206000美元。就研发支出占销售额的百分比(18%)而言,美国半导体行业仅次于制药和生物技术行业,这遥遥领先中国大陆的7.6%,也领先于中国台湾的11%。

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 图片来源:凤凰网

 

美国主导下的全球化产业链分工,是一个三元结构的体系:分别由消费国、生产国、资源国构成。消费国为美国、南欧的欧洲各国,生产国是中国、德国、日本、韩国等国,资源国则是俄罗斯、中东石油国、巴西、澳大利亚、委内瑞拉等国。

 

美国作为全球化分工体系的最顶端,不仅负责向全球提供输出需求,还输出流动性和制度与技术方面的标准和协议,负责全球化的全局统筹与组织。在这一体系下,美国在芯片领域也成为了游戏的设计者与规则制定者,决定着设计框架的国际使用。

 

深究美国半导体龙头地位无可撼动的背后,光是上市公司的规模就达90多家,涵盖设备材料设计制造封测全产业链。

 

国际知名市场调研机构Gartner公布的2021年全球前十半导体企业名单中,来自美国的半导体公司就占据席,分别是英特尔、美光科技、高通、博通、德州仪器(TI)、英伟达、AMD可见实力的雄厚。家企业总计占到33.2%的市场份额,这显示了美国在电脑及手机CPU芯片,存储芯片,汽车电子芯片,AI智能芯片等多个半导体领域的强大掌控力美国仍是半导体领域的领头羊。

 

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 图片来源:Gartner

 

伴随着5G、人工智能等新技术的发展,美国开始有针对性地进行布局,他们所煽动的蝴蝶翅膀,也影响了接下来全球半导体产业链的变革。特别是在产能短缺的问题持续影响着半导体产业发展的情况下,使得美国开始重提半导体供应链的重要性。

 

制造领域介入追赶

 

迈入全球化时代后,世界迎来了产业与贸易分工体系的重组,服务外包浪潮的兴起让美国将传统的制造业、高新技术产业中的生产制造环节大规模外迁。然而长期向海外转移却让美国制造业开始萎缩,芯片制造产业亦是如此。

 

当前,美国企业虽然在EDA、核心IP、集成电路设计、制造、设备等领域的市场份额仍超50%,依旧保持着领先地位,但晶圆制造份额却在这几十年里持续下跌。

 

根据SIA《在不确定的时代加强全球半导体供应链》的数据显示,美国半导体制造产业在全球的份额从1990年37%跌落到2020年的12%,远低于美国在其他行业的份额。SIA警告,如果不采取行动,到2030年,美国在制造业中的份额将降至10%。这使得美国推出一系列支持半导体行业的相关政策,希望重获领导地位,并确保供应链安全。

 

美国半导体制造业市场份额不断缩减

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图片来源:SIA

 

随着电子产品在全球范围内的发展,半导体产业发生迁移,韩国和中国台湾在这个期间成长了起来。当前,摩尔定律开始出现瓶颈,新技术开始在半导体产业当中迸发,这不仅为半导体产业的发展带来了新的生机,也让新兴半导体国家乘势而起。

 

在全球缺芯潮持续汹涌的情况下,随着云计算、物联网、人工智能及电动汽车等产业方兴未艾,半导体芯片在科技产业中的作用进一步凸显。可以说,芯片的地位或将比以往任何时候重要,谁掌握了芯片话语权,谁就能未来的政治经济地缘上胜出或占据有利地位。因此,全球半导体竞争已达到前所未有的白热化。

 

在这种情况下,美国开始重新重视半导体技术方面的提升。2017年,美国国防高级研究计划局(DARPA)提出了“电子复兴计划”,并在随后五年内投资约15亿美元,计划旨在解决摩尔定律延续面临的障碍以及电子技术快速发展50年来面临的挑战。为了解决芯片短缺问题制定了一项又一项的法案,还试图通过“钱海战术”挽回自己的霸主地位。

 

台积电创始人张忠谋曾在公开活动上,直接对美国政府花钱招揽半导体公司本土设厂的政策给出了否定的看法,他直言:“美国供应链不完整,且生产成本高,美国半导体在本地制造不可能会成功。”

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图片来源:观察者网

 

美国深谙自己在全球政治、科技领域的地位,不断通过“芯片联盟”、“高技术壁垒”、“向全球勒索芯片数据”、“半导体断供”来手段维系自身产业主导地位,以及遏制新兴半导体国家的发展。于是,尽管以半导体产业为核心的高科技产业经历数十年的发展,已形成了高度全球化的大格局,但美国却开动历史倒车,利用自身的政治等方面力量介入,逆全球化半导体产业发展。

 

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 图片来源:SIAC官网

 

这也势必将倒逼新兴半导体国家破釜沉舟,走上自主创新之路。一方面以当前世界现有科技成果为基础和目标,借助全球化摆脱在很多关键领域的资源不足和技术短板,同时灵活运用自身在全球产业链上优势,向产业界提供互惠互利的对策并继续强化优势项,进而切实“加强长板,补足短板”。

 

写在最后

 

半导体产业作为全球化最彻底的产业,由多个国家和地区共同串成了完整的产业链:位于美国、欧洲、日本的芯片设计领域,位于中国大陆、中国台湾、新加坡、韩国的晶圆制造领域,被日本掌控的芯片高端材料和设备领域,荷兰ASML一家独大的EUV光刻机等。

 

目前,没有任何一个国家或地区可以实现完全的自给自足,美国想要凭借其自身意愿进而约束整个产业是相当困难的。

 

正如法国哲学家圣西门所说:“对全人类来说,只有一种共同利益,那就是科学的进步。”

 

美国曾经在主导全球芯片产业过程中,为世界的科技进步做过贡献,但如今却用过时的冷战思维,将科技问题政治化、工具化、意识形态化,不但无法阻止其他国家科技发展的脚步,还会逆时代潮流而行,有悖于全球科技进步的规律,无益于全人类的福祉。

 

 

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