花旗国如何看待其半导体产品供应链的安全性（之一：集成电路设计企业）

清华大学王志华教授|王志华|Wang Zhihua|

2022-06-02 11:00:10 0

【引言】2021 年 2 月，花旗国大统领拜登签署了第 14017 号行政命令，要求其政府对半导体、新能源电池、稀土矿物、医药用品等四大领域的供应链进行*审查，以识别风险、解决漏洞并制定完善供应链韧性的战略。大统领签署命令时，引用了一句谚语“因为缺少钉子，鞋扔了。因为缺鞋，马丢了”，如此这般，直到王国灭亡。供应链中只要出一点点的小故障都会影响美国的安全、工作、家庭和社区。为了进行这项*审查，拜登政府成立了一个内部工作组，涵盖十多个联邦部门和机构。政府官员咨询了来自劳工、企业、学术机构、国会以及美国盟友和合作伙伴，以发现漏洞并制定解决方案。

花旗国的审查评估报告于2021年6月完成。

一、关于半导体

半导体是现代日常生活必不可少的集成电路的物质基础，半导体是现代消费者日常生活中不可或缺的部分，可以在电灯开关、车库门开启器和冰箱等家居用品以及手机、电脑和汽车等更复杂的产品中找到它的存在。现代人每天（可以说每小时、每分每秒）都会使用它。基于半导体的集成电路是各种技术的“DNA”，从根本上改变了社会经济的全部领域，从农业、运输、医疗保健、电信和互联网。半导体行业是花旗国经济增长和创造就业的主要引擎。几乎所有技术产品中都离不开半导体；当然*先进的军事系统也离不开半导体的支持。

报告估计，2020 年美国半导体行业的年销售额为 2080 亿美元，占据了全球市场的近一半。尽管全球发生 COVID-19 大*，但 2020 年全球半导体产品销售额增长了 6.5%。报告依据SIA 估计，到 2027 年全球半导体市场的年销售额将达到 7260 亿美元，复合年增长率为 4.7%。半导体是美国的主要出口产品，2020 年的出口销售额为 470 亿美元，排在第四位，仅次于飞机、成品油和原油油.

尽管美国半导体产业占全球半导体产品收入的近一半，但这份评估报告认为美国本土半导体制造能力占全球产量份额已从 20 年前的 37% 下降为今天的12%左右。美国的企业，包括主要的无晶圆厂半导体公司，都严重依赖外国，尤其是依赖亚洲，这造成了供应链风险。

调研报告通过五个相关的基本部分检查半导体供应链：(1) 设计；(2) 制造；(3) 组装、测试和封装；（4）材料；（5）生产设备。

二、基本结论：

设计：

美国半导体设计生态系统强大且**，但美国公司高度依赖对中国的销售来维持利润增长和国内（注：美国国内）研发 (R&D) 投资。此外，美国设计公司主要依赖有限的知识产权 (IP)、劳动力和制造资源开展业务。这些资源对于将产品推向市场至关重要。

制造：

美国缺乏足够的半导体制造能力。美国主要依靠台湾提供先进工艺节点的的逻辑芯片，依靠台湾、韩国和中国大陆来满足对成熟工艺节点芯片的需求。

测试和先进封装：

对于技术含量相对较低的后端半导体封装和测试，美国严重依赖集中在亚洲的外国资源。此外，随着芯片变得越来越复杂，先进的封装方法代表了未来重大技术进步的潜在发展领域。美国缺乏必要的材料生态系统，美国也不是发展强大的先进封装行业的具有成本效益的地点，而中国的大量投资可能会颠覆原有的市场格局。

材料：

半导体的生产需要数百种材料，这给制造业的供应链带来了挑战。许多用于半导体制造的气体和湿化学物质是在美国生产的，但外国供应商主导着硅片、光掩模和光刻胶的市场。

制造设备：

除了光刻机之外，对于大多数半导体制造前端工艺设备，美国企业在全球中占有很大份额。

除美国之外，制造设备生产集中在荷兰和日本。由于美国的半导体制造业规模有限，这些设备制造商的发展，严重依赖美国以外的销售。

三、关于集成电路设计

历史上，在半导体（芯片）产业发展的*初始阶段，集成电路设计并不是独立的产业。集成电路的设计工作由控制整个生产过程的 IDM企业完成。如美国的英特尔和德州仪器就是这种企业的典型代表。现在，集成电路设计越来越多地由更专业的“无晶圆厂设计公司”完成，它们依靠独立的制造企业（代工厂）完成集成电路的制造。代工厂的增加和相关投资使得进入集成电路的设计行业变得更加容易。这导致集成电路设计行业集中度明显低于制造业和设备制造业，并且使得集成电路制造严重依赖台湾。

尽管准入门槛较低，但无晶圆厂设计公司必须与代工厂密切合作，以确保设计适合生产过程，而且他们依赖 IP 供应商（通常是其他开发关键技术的半导体公司），也需要电子设计自动化 (EDA)软件企业的支持。集成电路设计业的上游和下游阶段都高度集中。重要的 IP 提供商和 EDA 提供商的总部主要位于美国，但他们的大部分从业者位于美国境外。

产业结构

由于企业从事的产品类型不同，从事半导体或者说集成电路设计的企业规模、技术及结构都非常不同。本报告划分成三种主要类型的集成电路半导体：逻辑或者说数字电路，存储器和模拟电路。2020 年，逻辑或者说数字集成电路约占市场总份额的 42%；存储器类产品约占 26%；模拟集成电路电路约占 14%；其它半导体产品的是非集成电路类产品，包括分立器件、光电器件和传感器器件。

逻辑或者说数字集成电路是计算机或者说计算部件的基本单元，是半导体产品市场的*大类别。根据*半导体协会 SIA 的数据，逻辑芯片占行业收入的 42%。在这一类别的半导体产品中，市场集中度和设计公司的数量高度依赖于特定的芯片类型。个人计算机中央处理器 (CPU)、专用图形处理单元 (GPU) 和现场可编程门阵列 (FPGA) 市场本质上都是双寡头垄断。而专用集成电路ASIC的供应商则非常分散，其竞争要更加激烈。产品种类包含ASIC和基于 ARM架构的移动设备处理器。CPU 是计算机的中央处理器，GPU 是用于视频渲染的处理器，FPGA 产品为在制造后由客户或设计人员进行配置而用，而 ASIC 则是为特定应用而设计的定制芯片。

报告认为，美国是*集成电路设计领域的*者，许多公司利用外包制造或将设计人员放在美国以外的方式降低资本支出。基本上全球所有个人计算机 CPU 都是由美国公司英特尔和 AMD公司设计，其中英特尔公司内部完成芯片制造，而AMD公司依赖代工厂完成芯片制造。同时英特尔和AMD公司可能很快就会主导 FPGA 类别，因为 AMD 于2020 年 10 月宣布计划以350 亿美元价的价格收购FPGA市场领导者赛灵思(Xilinx)。如果此次收购得到监管部门批准，AMD-Xilinx 和英特尔将占全球 FPGA 销售额的约 85%。其他美国供应商 Microchip Technology、Lattice Semiconductor 和 AchronixSemiconductor 构成了 FPGA 市场的剩余部分。全球 GPU 的主要份额，由AMD 公司以及市场*的美国公司 NVIDIA占有。

ASIC 供应商群体的竞争明显加剧，对基于 ARM 架构的移动设备处理器的需求很高。三星等芯片制造商与美国高通和博通等无晶圆厂设计公司以及苹果、Alphabet、亚马逊等数十家自行设计芯片的美国科技公司一起在 ASIC 和移动处理器市场上展开竞争。除了 Intel 和 Microchip，全球及美国大多数 CPU、GPU、FPGA 和 ASIC 供应商都是无晶圆厂，它们设计的芯片依赖于代工厂制造。

据 SIA 称，用于存储计算所需的信息的存储器芯片占行业收入的 26%。存储器类芯片是充分商业化竞争的类别，其效益、技术进步完全依赖于产量和规模经济。存储器类产品通常由 IDM型企业提供。韩国三星公司、韩国SK 海力士在动态随机存取存储器（DRAM）领域，处于*地位。美国公司美光占据大约 23% 的份额。现在市场份额*者正在开发先进的封装技术（即芯片堆叠）和其他*产品的 IP。2020年这三家公司在全球700 亿美元市场中大约占了高达95%的份额。

闪存 (NAND) 的生产并不那么集中， 2020 年全球 470 亿美元的市场中，估计有 6 家公司占了大约 99%。韩国三星也是闪存产品市场领导者，在 NAND 市场份额占了略高于三分之一的份额。紧随韩国三星公司之后的是日本的Kioxia公司（前身为东芝），它占据了大约20% 的份额。闪存产品的第三名是美国的西部数据公司，占据了大约14% 的份额。这个细分行业中还有韩国的 SK 海力士（12%）、美国的美光（11%）和美国的英特尔（9%）。全球的NAND 企业似乎准备做进一步整合。NAND产品收入与美光接近的英特尔于 2020 年 10 月宣布计划将其大部分 NAND 内存业务出售给 SK 海力士。此次出售将推动合并后的公司在 NAND 市场份额中到排名第二的位置。也有报道称，西部数据和美光可能正在寻求收购 Kioxia。此外，成立于 2016 年的中国企业长江存储技术 (YMTC) 正在快速扩张，并已获得约 240 亿美元的补贴。中国政府消息来源。到 2022 年，该公司可能有能力每月生产多达 200,000 片晶圆，是英特尔目前 NAND 产能的两倍以上，对美国的存储器公司构成潜在的低成本威胁。

与存储器类芯片相比，模拟集成电路产品的商业化竞争程度较低。而且，而且，模拟电路通常不太依赖使用*制造工艺节点。应用系统中的*终用途、设计芯片的知识和经验是模拟集成电路价值的重要因素。因此这里产品企业的市场集中度并不是太高，原因是模拟集成电路企业可以通过专注于模拟领域来保持竞争优势。2020 年，全球家*大的模拟集成电路供应商占据了 560 亿美元市场的 62%，其中只有德州仪器占有超过 10% 的市场份额。许多*的模拟半导体公司都是“fab-lite”生产商，自行制造一些他们设计的芯片，当然它们也外包了制造了很大一部分芯片。

2020 年，半导体产品中分立器件、光电器件和传感器（非集成电路半导体）的全球销售额大约为 790 亿美元，占整个半导体市场（总额约4400 亿美元）的近 18%。该类别中的大多数半导体产品都采用成熟的工艺节点，其价格*，单个产品价值一分钱是常见的情况。这类产品市场高度分散，制造商众多。非集成电路半导体企业包括 ABB Ltd.（瑞典/瑞士）、InfineonTechnologies（德国）、STM Microelectronics（意大利/法国）、Toshiba（日本）以及美国公司 Diodes Inc.、Vishay Intertechnology、Qorvo、dPix 和Cree。非集成半导体产品（尤其是分立式功率半导体产品）的的关键驱动技术是电源管理和小型化方面的创新。这类产品以汽车，尤其是电动汽车为关键应用终端。美国主导的氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC) 和其他化合物半导体衬底是各种应用的关键技术。它们被广泛用于电源管理和分配、高频功率放大、光电子领域以及*安全。平板显示器半导体器件也属于这一类。

在*安全领域，半导体技术还必须符合在军用温度范围（扩展范围）和恶劣环境中使用的资格，包括在适当情况下用于辐射环境的技术特性。此外，还需要更严格和独立的部件验证和确认。用于汽车应用的半导体同样必须满足严格的耐久性和测试要求，以承受恶劣的环境条件（例如，极冷、极热和极湿）。它们必须在车辆 10 到 20 年的整个预期寿命期间应对振动和冲击，并且在测试中表现出比消费产品应用的半导体低得多的故障率，以确保它们满足车辆安全要求。随着车辆变得更加自主并采用越来越多的光探测和测距 (LiDAR)、声纳、雷达、视觉系统以及导航和识别技术，这些要求预计会增加并变得更加严格。

（待续）

2021年6月14日于北京

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王志华

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