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在新时代强化全球集成电路供应链(1)(2)

日期:2021/4/30 10:04:23
摘要:半导体是设计和制造的高度复杂的产品。其他行业在研发(占电子设备制造商半导体年销售额的22%)和资本支出(26%)方面的投资水平都不高。

1)纵览

始于2020年末的半导体普遍短缺,突显出这些专用组件在当今经济中是多么不可或缺。半导体用于为大量电子设备供电,从智能手机、云服务器到现代汽车、工业自动化、关键基础设施和防御系统。

半导体供应链的全球结构,在过去三十年中发展,使该行业在成本节约和性能提升方面实现了持续的飞跃,最终使信息技术和数字服务的爆炸性增长成为可能。然而,在过去几年中,出现了一些新的因素,可能使这一全球模式的成功延续面临风险。解决这些脆弱性需要政策制定者结合精心设计的行动,包括有针对性地鼓励国内生产,以解决战略差距。

一体化的全球供应链

半导体是设计和制造的高度复杂的产品。其他行业在研发(占电子设备制造商半导体年销售额的22%)和资本支出(26%)方面的投资水平都不高。

对深厚的技术诀窍和规模的需求导致了高度专业化的全球供应链,各区域根据其相对优势在供应链中发挥不同的作用。(见图表1)美国在最密集的研发活动电子设计自动化(EDA)中处于领先地位,拥有世界一流大学、庞大的工程人才库和市场驱动的创新生态系统,拥有核心知识产权(IP)、芯片设计和先进制造设备。

东亚处于晶圆制造业的最前沿,这需要政府激励措施支持的大规模资本投资,以及强大的基础设施和熟练的劳动力。中国在装配、包装和测试领域处于领先地位,相对而言,这些领域的技术和资本密集度较低,中国正在积极投资,以拓展整个价值链。

在这个一体化的全球供应链中,所有国家都是相互依存的,依靠自由贸易将世界各地的材料、设备、知识产权和产品运送到执行每项活动的最佳地点。事实上,半导体是全球第四大贸易产品,仅次于原油、成品油和汽车。

这种全球结构提供了巨大的价值。一个假设的替代方案是,在每个地区建立平行的、完全“自给自足”的本地供应链,以满足其目前的半导体消费水平,至少需要1万亿美元的前期增量投资,导致半导体价格整体上涨35%至65%,最终导致终端用户的电子设备成本上升。

风险和弱点

在接下来的十年里,这个行业将需要在全球价值链上投资约3万亿美元用于研发和资本支出,以满足不断增长的半导体需求。行业参与者和政府必须合作,继续促进全球市场、技术、资本和人才的准入,使供应链更有弹性。

虽然地理专业化为该行业提供了很好的服务,但它也造成了脆弱性,每个地区都需要根据自己的经济和安全考虑,以特定的方式评估这些脆弱性。在整个供应链中有50多个点,其中一个地区占有全球65%以上的份额市场份额,尽管与每一项相关的风险水平各不相同。当谈到全球半导体供应链的弹性时,制造业成为一个主要的焦点。约75%的半导体生产能力,以及由于许多关键材料(如硅片、光刻胶和其他特种化学品)的供应商都集中在中国和东亚地区,这两个地区的地震活动频繁,地缘政治关系紧张。此外,目前世界上最先进的10纳米以下节点半导体制造能力都位于韩国(8%)和台湾(92%)。这些是单点故障,可能会被自然灾害、基础设施关闭或国际冲突中断,并可能导致芯片供应严重中断。

除了与某些地理位置的集中有关的风险外,地缘政治紧张可能导致出口管制妨碍与某些国家集中的关键技术、工具和产品供应商的接触。这种管制还可能限制进入重要的终端市场,可能导致规模的重大损失,并损害该行业维持目前研发水平和资本密集度的能力。

解决这些挑战的办法不是通过大规模的国家产业政策来追求完全自给自足,这种政策的成本惊人,执行的可行性也值得怀疑。相反,半导体行业需要有针对性的政策,加强供应链弹性,扩大开放贸易,同时平衡国家安全需求。

为应对全球供应中断的风险,各国政府应制定市场驱动的激励计划,以实现更多元化的地理足迹,其中应包括在美国建立额外的制造能力,以及扩大一些关键材料的生产基地和供应来源。在我们上一份题为“政府激励与美国半导体制造业竞争力”的报告中,我们发现,500亿美元的激励计划将使美国成为半导体制造业具有吸引力的地区。我们的分析表明,这样一个计划可以在未来十年内为逻辑、存储器和模拟半导体建造19个先进的晶圆厂,如果不采取行动,这一数字将增加一倍。

这一新的能力将有助于解决供应链中的主要弱点。例如,它将允许美国保持领先节点的最低可行制造能力,以满足国内对用于国家安全系统、航空航天和关键基础设施的先进逻辑芯片的需求。相比之下,我们估计完全制造业自给自足的目标将覆盖美国半导体消费总量在岸产能将需要超过4000亿美元的政府激励措施,10年的成本将超过1万亿美元。

在制定促进供应链弹性的政策时,各国政府必须保证国内外企业都有一个公平的全球竞争环境作为知识产权的有力保护。他们还必须采取措施,进一步促进全球贸易以及研发和技术标准方面的国际合作。与此同时,政策制定者需要采取措施加大对基础研究的刺激力度,解决人才短缺的威胁,限制了该行业保持创新步伐的能力。

为此,需要对科学和工程教育进行进一步的公共投资,并制定移民政策,使全球领先的半导体集群能够吸引世界级人才。

此外,对国家安全有重大关切的政府应制定明确的政策以及有针对性地控制半导体贸易的稳定框架,以避免对技术和供应商的广泛单方面限制。

这种经过良好调整的政策干预措施将在当今全球供应链结构中保持规模和专业化的好处。这将确保该行业能够扩展其能力,以实现半导体领域的持续改进。

2)介绍

今天的移动电话用户可能不会把太多的精力放在研究、开发、设计和制造方面的复杂的跨国界合作上,这些合作涉及数百家公司,使他们能够通过高速无线网络访问他们喜爱的内容。然而,消费者受益于整个深度复杂的电子行业的全球协调,其形式是加速创新周期,以较低的价格提供新的技术功能。全球一体化数字经济的支柱是半导体供应链。

在过去的三十年里,半导体工业经历了快速的发展,并产生了巨大的经济影响。从1990年到2020年,半导体市场以7.5%的年复合增长率增长,超过了同期全球GDP的5%。半导体行业带来的性能和成本的提高,使上世纪90年代从大型机向PC机的演变成为可能,21世纪是支撑网络和在线服务的客户机-服务器体系结构,然后是智能手机在20世纪10年代成为人人口袋里的电脑。

这些创新创造了巨大的经济增长:从1995年到2015年,全球与半导体创新直接相关的GDP估计增加了3万亿美元,,间接影响增加了11万亿美元。展望未来,半导体技术的进一步发展将是推动新一轮变革性技术的关键,包括人工智能(AI)、5G、自动电动汽车或物联网(IoT)解决方案,这些解决方案将大规模部署在各种智能连接设备上。

这种经济影响是由于半导体技术的不断加速改进而得以实现的。自1958年集成电路发明以来,逻辑芯片每片晶圆的晶体管数量增加了约1000万个,处理器速度提高了10万倍,可比性能每年降低45%以上的成本。再加上先进的封装和材料技术等工程创新,这使得电子设备制造商能够以越来越小的外形尺寸制造出具有指数级计算能力的设备。举例来说,今天的智能手机比1969年美国宇航局用来将阿波罗11号送上月球的大型计算机有更多的计算机能力。今天的智能手机包含的存储内存也比2010年的数据中心服务器要多。同样,在连续几代的蜂窝技术下,模拟半导体的进步也使得无线通信的质量和速度有了巨大的提高,这导致了最近推出的5G。

半导体供应链是数字经济的支柱

半导体是用高度先进的制造工艺制造的高度复杂的产品。改进往往需要在基础科学上取得突破,而这需要许多年才能实现。半导体行业创新步伐之快,得益于巨大的投资以及分布在世界各地的高度专业化的公司和机构所整合的复杂的全球价值链和研究基础设施。

供应链的专业化使得创新所需的深度关注成为可能,这常常会突破科学的界限。半导体产品有30多种类型,每种类型都针对电子子系统中的特定功能进行了优化。开发一个现代芯片需要在硬件和软件方面有深厚的技术专长,并依赖于专业公司提供的先进设计工具和知识产权(IP)。制作然后通常需要多达300种不同的输入,包括原晶圆、商品化学品、特殊化学品和散装气体。这些输入由50多个等级的高度精密设备处理。大多数这种设备,如光刻和计量工具,包括数百个技术子系统,如模块,激光器,机电一体化,控制芯片和光学。从事半导体设计和制造的高度专业化的供应商往往设在不同的国家。芯片然后在全球之旅中曲折地穿越世界。

本报告旨在提供一个复杂的全球半导体供应链的理解,它如何支持该行业的持续技术创新,以及它如何最终受益于消费者和使我们的经济通过更好的技术以更低的价格。我们还确定了一些可能影响行业继续提供指数级性能和成本改进的能力的风险,并讨论了解决这些风险的方法。

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