芯片供应链风险全解读 美国白宫发250页报告

2021年06月21日 19:27 次阅读 稿源:芯东西 条评论

两周前,美国白宫发布了一份长达 250 页的关键产品供应链百日评估报告,指出美国供应链存在的一系列漏洞。该报告建议美国国会支持至少 500 亿美元的投资,来为美国本土半导体制造和研发提供专用资金,并建议美国政府成立一个新的供应链中断工作小组,帮助缓解瓶颈和供应限制问题。

在报告的第四章节,美国商务部用约 60 页来分析全球半导体供应链局势,尤其考察设计、制造、后端 ATP、材料、制造设备这五大半导体供应链关键环节,并对全球半导体产业核心地区的补贴及激励措施加以汇总。我们对其中的关键信息进行编译及梳理,以供参考。

01. 一个半导体产品可能跨越 70 次国际边界

美国在全球半导体制造中所占份额已经从 1990 年的 37% 下降到现在的 12%,如果没有一个全面的美国战略来支持,该数字预计还会进一步下降。

典型的半导体生产过程涉及多国,产品可能跨越 70 次国际边界,整个过程需要长达 100 天,其中 12 天是供应链步骤之间的中转。

目前,美国的半导体设计生态系统处于世界领先地位,但高度依赖对中国的销售和有限的 IP、劳动力及制造资源。

美国半导体行业协会(SIA)估计,2020 年美国半导体行业的年销售额为 2080 亿美元,占据了全球半导体市场的近一半,是美国第四大主要出口产品。

美国半导体制造能力则相对欠缺,前沿逻辑芯片主要依靠中国台湾地区,成熟节点芯片需求主要依赖中国台湾地区、韩国和中国大陆。同样,其封测也严重依赖亚洲企业。

SIA 估计,如果中国台湾地区芯片代工厂的逻辑芯片生产中断,可能导致依赖芯片供应的电子设备制造商损失近 5000 亿美元的收入。

半导体生产需要数百种材料,许多用于半导体的气体和湿式化学品是在美国生产的,但对于美国来说,海外供应商主导了硅晶圆、光掩膜和光刻胶的市场。

从设备来看,美国在大多数前端半导体制造设备的全球生产中,占有相当大的份额,但关键的光刻设备生产除主要集中在荷兰和日本。由于美国的半导体制造有限,这些设备制造商严重依赖美国以外的销售。

该报告的综述总结了 8 种主要风险,包括:(1)脆弱的供应链;(2)恶意供应链中断;(3)使用过时的和几代前的半导体,以及供应链中公司持续盈利的相关挑战;(4)客户集中度与地缘政治因素;(5)电子生产网络效应;(6)人力资本缺口;(7)IP 盗用;(8)在获取创新利益、协调私人和公共利益方面的挑战。

02. 设计:美国逻辑芯片领先,营收依赖中国

芯片设计越来越多由“无晶圆厂(fabless)”半导体设计公司进行,其产业集中度明显低于制造和设备环节。

总体而言,美国半导体设计生态系统是强大的和世界领先的,但其无晶圆厂设计公司必须与亚洲代工厂密切合作,且设计流程依赖于 IP 供应商和电子设计自动化(EDA)软件。

当前基本的 IP 和 EDA 提供商的总部主要设在美国,美国仍对高技能人才具有吸引力,不过也面临越来越依赖海外人才的问题。另外,美国芯片设计公司的销售增长越来越依赖中国,这会影响到其研发支出。

▲许多在美国院校攻读电气、计算机、材料等专业的学生来自其他国家

半导体市场主要包含逻辑半导体、存储半导体和模拟半导体,三者在 2020 年的市场份额分别约为 42%、26% 和 14%,其余市场份额为分立器件、光电器件、传感器器件等非集成电路半导体。

1、逻辑芯片:美国遥遥领先

逻辑芯片是计算的基石,中央处理器(CPU)、专用图形处理单元(GPU)、现场可编程门阵列(FPGA)的市场均为双巨头垄断,而在专用集成电路(ASIC)和基于 Arm 架构的移动设备处理器供应商基础上,竞争明显加剧。美国在这些芯片设计方面处于世界领先地位。

▲2020 年集成电路市场份额领导者

2、存储芯片:DRAM 三分天下,闪存继续整合

存储芯片方面,韩国三星、SK 海力士和美国美光为动态随机存取存储器(DRAM)领域的行业领导者,三家在 2020 年占据了全球 700 亿美元存储芯片市场的 95%。

闪存(NAND)生产则不那么集中,韩国三星、日本铠侠、美国西部数据、韩国 SK 海力士、美国美光、美国英特尔这 6 家公司估计占 2020 年 470 亿美元全球市场的 99%。

NAND 业务似乎正在进一步整合,去年英特尔计划将其大部分 NAND 业务出售给 SK 海力士,也有报道称,西部数据和美光可能正寻求收购铠侠。此外,中国长江存储也正快速扩张。

3、模拟芯片:轻晶圆厂运营模式较热

与存储芯片相比,模拟芯片商品化程度较低,通常不太依赖于使用先进制造节点。2020 年,10 家最大的模拟集成电路供应商占 560 亿美元市场的 62%,只有德州仪器的市场份额超过 10%。

许多领先的模拟半导体公司都以“轻晶圆厂”(fab-lite)生产商的身份经营,采用自行建厂生产和外包相结合的方式。

4、非集成电路芯片:市场高度分散

分立器件、光电和传感器等非集成电路半导体在 2020 年的销售额为 790 亿美元,占整个半导体市场(4400 亿美元)的近 18%。这类产品中的大部分半导体都是成熟的节点技术芯片,通常每种只值几分钱,市场高度分散。

除了成熟节点技术之外,非集成半导体的关键驱动技术主要是在电源管理和小型化方面的创新,特别是面向离散功率半导体,汽车是一大关键的终端应用领域。

美国主导的氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)和其他化合物半导体衬底的研发是电力管理和分配、高频功率放大和光电子等各种应用发展的关键,平面显示半导体也属于这一类。

5、上游 IP 与 EDA:由欧美公司主导

IP 授权与 EDA 工具加速了芯片设计的创新。全球三大 EDA 供应商均在美国,同时 IP 核心领域历来由总部位于美国和英国的公司主导。

该报告分析称,美国企业在 EDA 的主导地位至少源自这些因素:市场领导者有能力收购和合并较小的 EDA 供应商、换 EDA 供应商对设计企业来说成本高昂,以及 EDA 公司与代工厂的关系。

同时该报告认为,过去几年,中国已采取措施增强对半导体 IP 的获取和控制,这可能会限制美国公司可获得的 IP,从而给美国产业带来风险。

03. 制造:缺乏先进工艺节点生产能力

晶圆厂有 IDM 和纯晶圆代工厂两种模式。

IDM 厂执行从设计到最终测试的全部流程,约占全球半导体产能的 2/3。SIA 报告称,44% 美国半导体公司的生产能力位于美国。总体而言,2020 年美国占全球 IDM 收入的 51%,在逻辑和模拟芯片方面尤其强大。

纯晶圆代工厂约占全球芯片产能的 1/3,但占逻辑芯片产能的近 80%。中国台湾地区占据了 63% 的全球代工市场份额,其中台积电一家就占了 53%;韩国约占 18%、中国大陆约占 6%。

美国在最先进芯片工艺节点上缺乏生产能力。目前全球仅台积电、三星领先,美国英特尔预计到 2023 年才会全面进入 7nm 生产,因此美国无晶圆厂芯片公司几乎完全依赖亚洲代工厂来生产最先进的芯片。同时美国在成熟节点也依赖集中在中国台湾地区、韩国和中国大陆的芯片制造商。

▲1990-2021 年美国半导体产能占全球份额的变化情况及至 2030 年的变化预测

一个 300mm(12 英寸)晶圆,可以生产 600 个或更多的独立芯片。在美国的 40 家主要半导体晶圆厂中,有 20 家采用现代标准的 300mm 晶圆;其他的则使用 200mm(8 英寸)或以下的晶圆。2009 年至 2018 年间,全球有超过 100 家 150-200mm 晶圆厂关闭,其中 70% 关闭地点位于美国和日本。

IC Insights 认为,许多晶圆厂使用了数十年,已经超过了它们的实际用途。在某些情况下,它们被更具成本效益或升级的设施所取代。在其他情况下,拥有晶圆厂的成本太高,一些公司转向了轻晶圆厂或无晶圆厂的商业模式。

虽然美国芯片产能一直相对稳定,但美国以外的产能和产量也在增长,尤其是在亚洲。SIA 预测,到 2030 年,美国在半导体生产能力中的份额将下降到 10%,而亚洲的份额将增长到 83%。

2019 年,全球新建的 6 家半导体生产工厂中,没有一家在美国,有 4 家在中国。

▲2019 年全球各地区晶圆制造能力分布(来源:SIA)

和设计业类似,美国芯片制造商也严重依赖对中国市场的销售。美国劳动力老龄化问题,也对美国的芯片生产构成了威胁。

另外,半导体制造对能源的需求很高。设施每运行 1 小时,可能需要多达 100 兆瓦时的电力,相当于美国家庭 9 年的平均耗电量。由于电力占制造运营成本的 30%,获得可靠且负担得起的能源对半导体制造商具有竞争力至关重要。

事实上,全球化和高度专业化的半导体制造供应链结构,加上地理制造业集群的经济利益,增加了自然和人为灾害造成破坏的风险。此前,断电、火灾等突发事件均影响至全球芯片的供应。

美国环境保护署已经意识到这些问题,并一直与半导体行业就如何在未来的法规制定过程中考虑供应链的影响,保持着不断的沟通。

04. 后端 ATP:美国缺乏生态,严重依赖亚洲

芯片生产的后端 ATP 环节,包括半导体组装、测试、封装和先进封装。该环节通常由 IDM 厂商、纯晶圆代工商和外包半导体封测(OSAT)厂商来提供服务。

当前,美国只占有全球半导体封装能力的 3%,这还不包括测试能力,主要由 IDM 提供,他们通常在美国之外建有 ATP 设施。

美国公司占 ATP 市场营收的 28%,IDM ATP 市场营收的 43%。中国台湾地区的台积电、联电,中国大陆的中芯国际、武汉新芯,均有封装业务。

美国的 OSAT 只占全球 OSAT 业务的 15%,中国台湾地区和大陆地区则约占据全球市场的 73%。安靠技术(Amkor)虽然总部设在美国,但没有在美国建立生产设施。

▲ATP 市场份额(按营收)

传统上,ATP 是一个自动化和低价值的业务,主要集中在中国大陆、中国台湾地区和东南亚地区,但美国半导体的供应离不开这一关键环节,同时近些年来,封装技术正变得越来越先进,中国在过去几年在先进封装方面进行了大量投资。

根据 SEMI 和 Techsearch 数据,2018 年全球有超过 120 家 OSAT 公司和 360 家封装厂,其中超过 100 家封装厂在中国大陆,大约 100 家在中国台湾地区,43 家在东南亚,其他在欧美地区。

先进封装类型包括芯片堆叠技术、嵌入式芯片、扇出晶圆级封装和系统级封装。

逻辑芯片的一种方法是将标准化 IP 功能分离成不同的、更小的芯片,称为“chiplet”,美国国防部高级研究计划局(DARPA)及多家企业均在探索这一技术方向。

2019 年,先进封装占总半导体封装价值的 42.6%,预计到 2025 年将达到总体半导体封装市场的近 1/2。

从 2014 年到 2025 年,先进封装的收入预计将从 2014 年的 200 亿美元增至 2025 年的约 420 亿美元,增长 1 倍多;其复合年增长率(CAGR)为 6.1%,几乎是传统封装市场预期增长的 3 倍。

当前全球前 10 大先进封装公司,包括 2 家 IDM 商(美国英特尔、韩国三星),1 家代工商(中国台湾台积电),全球前 5 大 OSAT 商(中国台湾日月光、中国台湾矽品、美国安靠、中国台湾力成科技、中国大陆长电科技),和 2 家更小的 OSAT 商(韩国 Nepes Display 和中国台湾颀邦科技)。

这 10 家公司生产了全球大约 3/4 的先进封装芯片。

此外,美国缺乏开发先进封装技术的生态系统。先进封装材料方面,美国在先进封装基板及相关供应链方面能力不足,而中国正成为更具吸引力的基板供应商的市场。

美国的印刷电路板制造业曾经占全球总生产量的 30% 以上,如今只占不到 5%。

美国 IPC/USPAE 机构预计,美国在下一代电子应用所需的印刷电路板制造技术方面落后亚洲 20 年,在制造用于微电子封装的先进印刷电路板制造类基板方面落后亚洲 30 年。

05. 材料:硅晶圆依赖日本,硅、镓来自中国

有数百种材料被用于半导体制造过程中的不同阶段。一个市场研究公司估计,2020 年全球电子市场材料和半导体工业化学品和气体价值 183 亿美元,有望到 2025 年增长至 262 亿美元。

对于美国来说,海外供应商主导了硅晶圆、光掩膜和光刻胶市场,日本公司在这些行业尤其强大。同时,硅、镓等原材料主要来自中国。

该报告主要复盘了包括多晶硅、硅晶圆、光掩模与光刻胶、超纯及常规化学品和气体、原材料在内的一些关键半导体材料供应链:

1、多晶硅:中国占全球产能的 70% 以上

几家在美国生产电子级多晶硅的制造商,包括美国 Hemlock Semiconductor、挪威 REC Silicon、德国 Wacker 和日本三菱综合材料。

美国本土生产商称,尽管美国目前有生产能力,但由于中国采取行动增强其在半导体和太阳能供应链上的主导地位,美国的技术领先地位和半导体级多晶硅的生产面临风险。

中国占全球太阳能级多晶硅市场的 95% 以上,美国目前还不存在太阳能行业的直接客户,但由于半导体级多晶硅和太阳能级多晶硅的生产过程密切相关,美国生产商必须能利用强劲的全球太阳能产品市场,以确保半导体材料的持续生产。

这些生产商说,中国目前占全球多晶硅产能的 70% 以上,美国占 9%。

2、半导体硅晶圆:日本坐拥半壁江山

日本公司在硅晶圆市场占据主导地位,估计占有 56% 的市场份额,其次是中国台湾地区(16%)、德国(14%)和韩国(10%)。

虽然一些德国、日本和中国台湾地区公司在美国建有生产设施,但只有像 Virginia Semiconductor 公司这样的美国小公司制造硅晶圆。当前中国大陆在 300mm(12 英寸)晶圆的制造能力方面还非常有限,预估所占市场份额不超过 5%。

目前,半导体产业广泛使用 300mm 晶圆,一些领先的制造商探索了 450mm 晶圆生产的投资,但半导体加工工具的制造成本明显较高,投资预期回报较低,导致这种方法被放弃。200mm 晶圆也继续拥有一个很大的市场。

尽管绝大多数商用半导体是由硅晶片生产的,但锗、GaAs、GaN 和 SiC 等复合半导体更适合 5G 通信、自动驾驶汽车、可再生能源和军事系统等关键新兴应用。随着其商业应用越发广泛,它们与传统半导体材料之间的成本差距已经缩小。

美国目前在氮化镓(GaN)微波电子学方面处于领先地位,其他国家也正在大规模投资以发展本土氮化镓。

美国能源部早在 2015 年成立了一个由 60 家机构组成的联盟 Power America,重点加速应用美国制造的 SiC 和 GaN。美国 DARPA 还资助了磷化铟、GaAs、SiGe、SiC、GaN 和氮化铝等项目,以及最近在超宽带隙半导体方面的工作。不过当前 SiC 和 GaN 的制造服务主要在美国之外。

3、光掩模与光刻胶:日本领先地位难撼动

光掩模包含集成电路图形,被用于确保将图形精确转印到硅晶圆上。在光刻工艺环节,光线穿过光掩模,将图形投射到晶圆表面。

光刻胶是一种用于形成图案的光敏有机材料,被用于光刻工艺过程中经过曝光将光掩膜版上的图形转移到晶圆片上。

在大型半导体公司中,自主生产光掩模很常见。美国英特尔、韩国三星、中国台湾台积电和中国大陆中芯国际都有自己的掩膜生产业务。然而,无晶圆厂半导体公司依赖于总部设在日本、美国和中国台湾地区的商业掩膜制造商。

美国 CSET 估计,日本公司控制了 53% 的商业掩膜市场,美国公司占 40%,中国台湾地区公司占 7%。

根据 CSET 供应链研究,日本公司还占据了半导体光刻胶市场的 90% 份额。剩下的 10% 主要由美国和韩国的公司持有。中国本土几乎没有能力生产先进的光刻胶。

4、超纯及常规化学品和气体:美欧日占优势

半导体行业有许多化学品和气体供应商,美国、日本和欧洲都有领先的公司。许多非美国公司通常会在美国设立分支机构。大多数化学和气体供应商的大部分业务均不在半导体行业。

美国、日本和法国生产半导体气体。目前,六大供应商是美国慧盛材料、韩国 SK 材料、日本 MTG/TNS、法国液化空气、英国林德/美国普莱克斯和日本 KDK。它们占据了约一半的市场份额,约 50 家供应商占据了另一半市场。

美国、德国和日本是湿电子化学制品的主要生产国。美国 KMG、美国艾万拓、美国霍尼韦尔、德国巴斯夫和日本关东化学在该市场占有超过 60% 的份额。

5、原材料:供应来源集中在中国

硅、镓等用于生产晶圆的原材料都集中在中国。氦气也很短缺。美国是氦气的来源之一,它是天然气生产的副产品,因此受天然气价格的影响。

执行命令 14017 要求的关键矿物和材料供应链审查中,讨论的一些关键材料、矿物和稀土元素用于半导体制造(包括镓和多晶硅)。然而,尽管这些材料对半导体制造过程至关重要,但这些材料的其他用途是这些材料的消费者,这些材料的问题并不是半导体行业特有的。

06. 制造设备:美国占较大份额,光刻设备依赖荷兰与日本

半导体生产线的不同环节,会用到不同类型的半导体制造设备。

前端制造设备包括光刻、蚀刻、掺杂或离子注入、沉积、抛光或化学机械平面化。特别值得注意的是金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备,它主要被用于生产 GaAs、GaN 等化合物半导体。后端制造设备包括 ATP 设备和先进封装。

美国在半导体制造设备领域市占率较高,但高度依赖外销。根据美国应用材料及泛林研发公司的财报,其 2020 年营收中,约有 90% 来自美国之外的地区。

目前半导体制造设备市场份额前三的分别是美国(41.7%)、日本(31.1%)和荷兰(18.8%)。除了装配及封装设备、MOCVD 设备外,中国公司没有占据明显的份额。

2019 年,五大半导体制造设备公司是美国应用材料(18.8%)、荷兰 ASML(16.8%)、日本东京电子(13.4%)、美国泛林研发(11.8%)、和美国科磊(6.8%),共占有全球市场的 67.6%。

如下图所示,虽然美国在大多数前端 SME 的生产中占有相当大的市场份额,但光刻扫描/步进设备是一个明显的例外,几乎都是由荷兰公司 ASML 和日本公司尼康和佳能生产的,其中 ASML 是 EUV 光刻机的唯一供应商。

▲集成电路制造工具市场份额

MOCVD 设备的主要供应商包括美国 Veeco、德国爱思强和中国大陆中微公司;蚀刻设备的前三是美国泛林研发、日本东京电子和美国应用材料。

相较前端,美国在后端封装设备方面的市场份额较小。日本有最大的封装设备份额(35.7%),其次是中国大陆(22.9%)和荷兰(11.1%)。

不过美国库力索法半导体是一家全球领先的半导体封测设备公司。美国和日本是后端测试设备(ATP)的领导者,分别拥有 33.5 和 48.6% 的市场份额。

一个半导体制造设备可拥有 100 多个零部件,根据制造商普查调查,美国半导体制造设备销售收入的一半被花费在了零部件和其他材料上。美国公司也为外国公司出售的设备提供关键零部件。

报告还提到,中国政府对半导体制造设备生产商的补贴,对企业的财务表现产生了明显的影响。

目前有超过 200 家晶圆厂在 200mm(8 英寸)晶圆上生产半导体,主要用于 350nm~90nm 的成熟节点芯片。当前 200mm(8 英寸)制造设备短缺,尚无缓解的迹象。

一家半导体制造设备公司报告称,尽管从 2010 年到 2015 年,200mm 晶圆设备的销售如预期的那样下降,200mm 和 300mm 之间的比例为 50%,但需求却回到了 2010 年的水平。

SEMI 报告称,2019 年有 5 个新 200mm 晶圆厂,2020 年有 7 个开始建设(其中 3 个在中国大陆,美国、日本和中国台湾各 1 个)。虽然 200mm 的设备过去是可用的二手设备,这个市场已经枯竭。200mm 的新设备也很难找到,尤其是光刻设备。

如今,新设备的购买将会取决于新晶圆厂、技术、功能或增加产量的需求、增加服务的重要性,以及大型提供商的升级和行业的整合。这也使较小的设备公司面临被大公司吞并或销量流失到大公司子公司的风险。

07. 解决供应链风险的 7 项政策建议

除了分析半导体供应链现状外,该报告也提出了 7 项政策建议,旨在解决当前半导体短缺和报告中确定的风险:

1、与工业界合作,促进投资、提高透明度和协作,以解决半导体短缺问题。

2、根据美国《2021 财政年度国防授权法案》(NDAA)规定,为 CHIPS 法案提供全面资金。

3、通过立法行动来实施美国总统美国就业计划中的想法,加强其本土半导体制造生态系统,为支持关键的上游提供激励。

4、通过研发资源支持制造商,特别是中小企业,以证明新兴技术和融资从实验室转移到市场,并解决增长的资本需求,促进创新。

5、通过大量投资来发展和多样化 STEM 人才管道,劳工部就业和培训管理局以部门为基础的途径和培训项目、公共/私人投资来帮助资助劳动力发展及移民政策的改变,从而吸引世界上最优秀和最聪明的人才。

▲在半导体和其他电子元件制造业中,最详细的 STEM 职业教育水平的相对百分比

6、通过鼓励外国晶圆厂和材料供应商在美国及其他盟国和伙伴地区投资,提供多样化的供应商基础,与盟友及伙伴就半导体供应链弹性进行合作。

7、保护美国在半导体制造和先进封装方面的技术优势,确保出口控制支持政策行动,以解决与其供应链相关的国家安全和外交政策关切。

08. 结语:加强本土供应链,机遇与挑战并存

该报告还对中国大陆、韩国、欧盟、日本、中国台湾地区、新加坡及以色列为半导体产业提供的补贴及激励措施进行了汇总整理,并分析了当前美国半导体制造业发展所面临的机遇及挑战。

在美国政府的推动下,台积电、三星、英特尔、格芯均宣布了新的美国半导体制造建厂计划。提高本土半导体产能不仅有助于解决半导体供应链各个环节的供应链脆弱性,还可能成为高质量、高薪工作的来源。

SIA 估计,半导体行业的每一个直接就业岗位都会产生 4 到 5 个间接就业岗位。此外,半导体生产设施也有助于增加电子材料、封测等上下游产业的就业机会。

美国政府鼓励先进芯片封装和测试的政策,亦可以增强供应链的弹性,这些激励措施可能针对相对边缘或经济不景气的美国地区。

另一方面,提高本土半导体产量及发展下一代半导体技术,最大的挑战是资金。以制造业为例,在全球任何地方建一个 12 英寸大型晶圆厂都要花数十亿美元,一个领先的工厂甚至要花费数百亿美元。

美国劳动力成本较高、政府激励措施偏少,因此在美国建立新工厂的 10 年成本可能达到平均 60 亿美元,比在中国台湾、韩国或新加坡建立同样的工厂高 30%,比在中国大陆高 50%。

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