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“半导体”实际上是指具有导电特性的固体物质(例如硅或锗),他们可以用作导体或绝缘体。1956年,贝尔实验室的约翰·巴丁(John Bardeen),沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)和威廉·肖克利(William Shockley)因其于1947年发明的晶体管而获得了诺贝尔奖,该晶体管是一种用于放大或切换电子信号和电源的半导体器件。
1950年代中期,德州仪器(TI)的杰克·基尔比(Jack Kilby)和飞兆半导体公司(Fairchild Semiconductor)的一组研究人员率先开发了集成电路,将多个晶体管放置在一块单一的半导体材料上,“半导体芯片”的现代面貌随之诞生。但是现代半导体与早期的先驱者早已相去甚远。如今,一个平方厘米大小的芯片上包含数十亿个晶体管,以纳米级单位(长度单位等于一米的百万分之一)测量电路,并且最新的半导体制造设施正在生产尺寸为5 nm和3nm的半导体。前沿半导体所包含的晶体管比人的头发薄10,000倍。
半导体日益微型化以及处理能力和速度以及功耗效率方面的性能增强是每一种信息和通信技术(ICT)产品的核心。从根本上讲,半导体行业的发展解释了为什么数字产品相对价格不断下降,但是其能力却不断增强:1983年的手机价格为4,000美元,而如今只需数百美元;个人基因组测序的成本从27亿美元在过去的20年中下降至300美元;大约每十年无线通信都会增加一个“G”。
半导体行业是当今最重要的行业之一,它提供的核心技术可以为全球数字化提供动力,并能促进每个经济体各个部门的创新和生产力的增长。
半导体对经济的影响
据牛津经济研究院(Oxford Economics)估计,半导体产业推动了7万亿美元的全球经济活动,为全球年度国内生产总值(GDP)直接贡献了2.7万亿美元。如今,数字经济已占全球GDP的近四分之一,半导体推动了未来数字化。从AI,云计算和物联网到先进的无线网络,智能电网,智能建筑,智能城市乃至下一代量子计算的一切都将由半导体起支撑作用。
半导体行业本身就是一个价值4700亿美元的高度全球化的行业(预计到2026年将达到7300亿美元的行业),2019年有史以来首次出货超过1万亿个半导体,其中一些处理器包含超过300亿个晶体管。2019年,总部位于美国的半导体企业在全球半导体行业占有47%的市场份额,其次是韩国(占19%),日本和欧洲(占10%),中国台湾(占6%)和中国大陆(占5%)。(参见图1)
但是,在增值(value added:一个国家的实际生产值)方面,各国情况大不相同。2016年(可获得数据的最新年份),中国创造了1200亿美元的增值,而美国为830亿美元,中国台湾为556亿美元,韩国为390亿美元。(请参见图2)2011年,美国该行业的增值达到了913亿美元的峰值(名义价值)。
从2007年到2016年,中国大陆在该领域的增值增长了三倍。就全球半导体产业增值的份额而言,从2001年到2016年,中国大陆增长了近四倍,从8%增长到31%,而美国的份额从28%下降到22%,日本的份额下降了三分之二,从30%下降到8%。中国台湾和韩国的份额都翻了一番或几乎翻倍,中国台湾的份额从8%增长到15%,韩国的份额从5%增长到10%。德国和马来西亚各占2%的份额。(参见图3。)
根据经济合作与发展组织(OECD)的数据,2018年,中国大陆出口了1,380亿美元的半导体,中国台湾1,110亿美元,韩国920亿美元,新加坡870亿美元,美国530亿美元,欧盟27国和英国合计530亿美元,日本480亿美元。(见图4)
就贸易差额而言,2019年(或该国(或地区)可获得数据的最近一年),中国台湾录得贸易顺差540亿美元,韩国为470亿美元,日本为210亿美元,新加坡为18美元。相反,2018年,印度的半导体贸易逆差为140亿美元,欧盟27国和英国为180亿美元,中国大陆为2350亿美元。(见图5)
但是,必须指出的是,尽管中国大陆的半导体贸易逆差可能看起来相当可观,但事实上,作为手机,平板电脑和其他电子产品的全球生产网络的一部分,这些半导体进口中约有一半是从中国转口的,其中包括在组装和制造期间的附加值(中国半导体贸易严重失衡是中国极力寻求贸易自给自足的原因之一)。在电子产品(例如计算机,手机等)贸易顺差大幅增长的同时,中国的半导体贸易逆差也大幅增长,逆差额占其总出口额的58%。
半导体需要巨大的投资
半导体是全球仅次于生物制药的第二大研发密集型产业。2018年,总部位于美国的半导体公司将其销售额的16.4%用于研发,相比之下,总部位于欧洲的公司平均占15.3%,中国台湾平均占10.3%,日本平均占8.4%,中国大陆平均占8.3%,韩国平均占7.7%,其他所有国家/地区的半导体公司平均占5.6%。(见图6)
在“2019年欧盟工业研发投资记录”报告中,十二家研发密集度最高的半导体公司中,有一半来自美国,而研发密集度最高的三大公司中,高通居于首位,该公司每年将其收入的四分之一投入研发,其次是中国台湾的联发科(占24.2%)和美国的AMD(占22.1%)。(见表1)就实际投资而言,三星在2019年的研发投入为148亿欧元(约合176亿美元),其次是英特尔,该公司投资了118亿欧元(约137亿美元)。
这个行业也是高度资本密集型的。2019年,美国半导体行业的全球资本总支出(CapEx)高达319亿美元,使该行业的资本支出占销售额12.5%,仅次于美国替代能源行业。2019年,总部位于韩国的企业在该领域的投资占全球资本支出的31%,其次是美国公司28%,中国台湾公司17%,中国大陆公司10%,日本公司5%和欧洲公司4%。(参见图7)
VLSI Logic首席执行官兼董事长Dan Hutcheson提到,即使是在7 nm水平,当今的半导体在一个芯片上封装了超过200亿个晶体管,其工作容差仅为冠状病毒大小的1/10或更小。来自中国,德国,法国,日本,台湾,荷兰,韩国,美国和英国等地已在改善设备性能,降低功耗和缩小尺寸方面取得了进展,这反映了该行业真正的全球性趋势。
但是,尽管该行业的创新历来主要是在降低或维持成本不变的同时将芯片的处理能力提高一倍,但如今的创新重心正在转移和扩展,其已不再是单纯的处理速度,还包括能耗,“片上系统”功能,以及全新形式的技术和计算架构。例如,总部位于硅谷的Tachyum正在研究一种新的“通用处理器”微芯片,该芯片将整合三种类型的微处理器-CPU,GPU和TPU集成到单个芯片中,这有可能带来显著的处理速度和功耗优势。
然而,开发新的半导体设计或建造新的半导体工厂涉及大量的专业知识,同时需要大量的资金和规模,并且这些要求越来越严苛。例如,2020年4月的一项研究发现,如今要达到摩尔定律(即计算机芯片密度加倍)所需的研究人员数量是1970年代初期所需数量的18倍以上。这是芯片制造成本增加的原因之一。
2019年,中国台湾芯片制造商台积电宣布将在亚利桑那州建造5纳米晶圆厂,成本为120亿美元; 2017年,它宣布计划在台湾建造一个3纳米晶圆厂,预计成本为200亿美元。截至2020年,建造一个新的14-16纳米晶圆厂的平均成本约为130亿美元;10纳米晶圆厂150亿美元; 7纳米晶圆厂180亿美元; 5纳米晶圆厂的投资额为200亿美元。这些数据都反映了半导体行业竞争成本的不断上升,20年前近30家公司以技术领先的水平制造集成电路,而今天只有5家公司能够做到(英特尔,三星,台积电, Micron和SK Hynix)。
因此,半导体行业是一个典型的以创新为基础的行业,其特征是研发和设计的固定前期费用极高,生产成本又不断增加(即单个芯片以边际成本退出生产线)。此外,该行业依靠下一代创新来资助下一个投资,因此10纳米晶圆厂的利润会投资于7纳米晶圆厂的收入,这也将使未来的5纳米和3纳米晶圆厂成为可能。因此,全球半导体产业自我维持的能力取决于全球经济所达到的若干条件。首先,半导体公司需要进入大型全球市场,以便它们可以在单个大型全球市场上摊销和收回成本。鉴于研发和资本设备固定成本的大幅增长,进入全球市场的能力前所未有地重要起来。
其次,半导体公司不能面对过度的非市场性竞争,例如政府投入数千亿美元的补贴时,由于政府无法一视同仁,这对那些试图以真正的基于市场的条件进行竞争的企业处于劣势。换句话说,如果不能保证领先的公司能够获得合理的,风险调整后的投资回报率,那么领先的公司将削减研发和资本支出。
第三,由于该行业极其依赖于知识,技术和专业性,因此国际体系必须包括强有利的知识产权保护规则(包括专利,商业秘密和商标),因为半导体行业非凡的价值都是基于知识的。同样地,如果公司不能保留这种昂贵的IP,并且以非法和不正当手段将其提供给竞争对手,那么它们的利润将下降,从而减少投资。
全球半导体价值链
实际上,朝着最终电子产品的典型生产过程可以看到其内部的底层半导体跨越国际边界70次以上,而整个过程超过100天,包括3次全程旅行。这种全球化供应链的一个原因是,与水泥,甚至汽车等某些行业不同,它们的重量(和体积)价值比高,而半导体又小又轻—与它们的实际价值相比,在全球范围内转移它们的成本是最小的。
各个半导体公司的供应链非常复杂。例如,英特尔在全球10个地点拥有15个晶圆厂,其中在美国有4个,其供应链关联90多个国家的11,000多家供应商。韩国三星关联了2,500多家全球供应商,而SK Hynix拥有约1200家供应商。中国台湾台积电在世界各大洲运营着24座晶圆厂,利用270种不同的硅技术每年生产1,200万片晶圆,可支持10,700种不同的客户产品。台湾的台积电也得到了全球3,000多家供应商的支持。
各个国家和地区已经在全球半导体供应链中树立了特定的壁垒。正如“Beyond Borders”报告所述:
“加拿大,欧洲国家和美国趋向于专注于半导体设计以及高端制造。日本,美国和一些欧洲国家专门提供设备和原材料。中国大陆,中国台湾地区,马来西亚和其他亚洲国家/地区倾向于专门从事制造,组装,测试和封装。加拿大,中国大陆,德国,印度,以色列,新加坡,韩国,英国和美国都是半导体研发的主要枢纽。大型半导体公司在哥斯达黎加,拉脱维亚,墨西哥,南非和越南等国家/地区设有工厂。”
半导体行业的国际化也体现在其领先企业中,2019年全球半导体销售前四名来自三个不同的国家和地区,其中美国的英特尔(销售额698亿美元),韩国的三星电子(556亿美元),中国台湾的台积电(TSMC)(347亿美元)和韩国的SK海力士(220亿美元)。(请参见表2)中国大陆公司没有进入前15名,海思仅以16位排名第一,截至2019年底排名前25位。
三种最普遍的半导体类型是逻辑芯片,存储芯片(通常是动态随机存取存储器(DRAM))和模拟芯片(产生信号或变换信号特性的芯片,在汽车和音频应用中很普遍)。2019年,逻辑芯片的全球销售额为1070亿美元,内存芯片为1060亿美元,模拟芯片为540亿美元。英特尔是逻辑芯片市场的全球领导者。德州仪器(TI),模拟器件(Analog Devices)和英飞凌(Infineon)是模拟芯片市场的领导者,分别占有19%,10%和7%的市场份额。
截至2020年第一季度三星,SK Hynix(总部都位于韩国)和美光(美国)在DRAM生产方面位于世界领先地位,分别占全球市场份额的44%,29%和21%。
半导体价值链的全球化受到多种因素的驱动,并带来了诸多益处。正如Macher和Mowery在其报告“高科技产业中的垂直专业化和产业结构”中阐明的那样:
“自1985年以来,半导体垂直专业化的发展反映了与市场有关的因素和技术因素的影响。规模经济降低了生产成本,扩大了半导体潜在的最终应用范围,并为垂直专业公司提供了更多的进入机会。半导体制造不断增长的资本要求为垂直专业化提供了另一个动力,因为这些较高的固定成本使得生产大量限定范围的的半导体组件成为可能,进而产生较低的单位成本。新半导体产品的设计周期也变得更短,产品生命周期更加不确定。这使得在确立单个产品的需求时,很难预料相关产业能否充分利用专门用于特定产品的制造设施的能力。与此同时,对特定制造设施的投资风险也会增加。”
正如“Beyond Borders”报告所述,要使企业在半导体供应链的各个方面的竞争中取得成功,就需要“高度专业化,并提供增值的机会。如此一来,供应链才会成为一条价值链,每项活动都会有助于最终产品的整体竞争优势。”
“Beyond Borders”所描述的情况与“常规”制造业非常不同,后者的资本成本投入是其他制造业无法比拟的。而且市场可以为特定行业的许多生产者提供支持,也就是说在特定国家/地区拥有大量供应商的可能性很大,尤其是在美国这种经济规模较大的国家,这种可能性要高得多。
也许最重要一点在于,供应链的全球化催生了半导体行业中各种各样的商业模式。在半导体行业初期(可追溯到1950年代和1960年代),半导体行业主要由集成设备制造商(IDM)组成,即在内部进行半导体制造(尤其是设计和制造)所有关键环节的公司。英飞凌,英特尔,美光,瑞萨,三星,SK Hynix和德州仪器软件仍然是领先的IDM厂商。
1987年,张忠谋创立了台积电(TSMC),该公司率先建立了晶圆代工业务模式,专注于为无晶圆厂生产商提供合同制造,这些公司专注于设计半导体,通常用于AI,无线通信或高性能计算(HPC)等特定用途。这种代工服务本质上是一种外包制造或“制造类服务”。这种模式彻底改变了行业,催生了许多新参与者,包括美国的GF,中国大陆的中芯国际(SMIC)和台湾的联合微电子公司(UMC)。
代工厂的出现推动了无晶圆厂产业的兴起。这些无晶圆厂产业的公司专注于半导体芯片设计,例如AMD(用于AI,HPC和图形芯片),NVIDIA(图形芯片)和Qualcomm(5G和其他无线芯片)。这种模式统称为“无晶圆厂工厂”。
最后,外包的ATP由许多全球参与者执行,包括Amkor(美国),ASE Technology(马来西亚),J-Devices(日本),Power-Tech(中国)和Siliconware Precision Industries(中国台湾)。此过程的最前端是专注于半导体研发活动的公司和财团,例如CEA-Leti(法国),Imec(比利时),ITRI(台湾),SEMATECH(美国)和Semiconductor Research Corporation(美国)。(参见图10)

简而言之,半导体生态系统已经从1950年代的IDM模式发展成为全球性分工,到2010年代,这些公司专门从事各类专业化分工,例如研发,设计,机床,组件,铸造,组装,测试和封装。(参见图11)

不同国家或地区的半导体竞争力战略
(一)中国大陆
(二)欧盟
(三)德国
(四)日本
(6)美国
开展国际合作以共同增强半导体竞争力
各国(或欧盟等超国家组织)制定全面战略以提高其国家半导体产业的竞争力肯定是恰当的,而且确实值得称赞。尽管有人争辩说:“国家竞争的概念是不正确的……国家之间的相互竞争毫无作用。”事实上,各国正在为实现更高的经济增长而相互竞争。
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