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SIA最新报告:美国半导体实力和发展方向

2020-6-28 09:58| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 12163| 评论: 0|来自: 半导体行业观察

摘要: 数十年来,美国公司在生产这些为现代技术提供动力的微型芯片方面一直处于世界领先地位。美国在半导体领域的领导地位是美国成为全球最大经济体和领先最先进技术的重要原因。自2020年初COVID-19开始以来,人们就已经在 ...
近来,因为美国对华为的禁运,国内读者,乃至全球的相关人士都对美国半导体的实力和中美的半导体纷争有了高度的关注。美国甚至在最近一个月兴起了半导体制造复兴热潮,多个议员甚至建议美国本土推出相关政策和资金支持半导体的发展。为此,SIA发布了这份报告,深入谈了美国半导体产业所处的现状和面临的挑战。

以下为文章正文:
数十年来,美国公司在生产这些为现代技术提供动力的微型芯片方面一直处于世界领先地位。美国在半导体领域的领导地位是美国成为全球较大经济体和领先较先进技术的重要原因。

自2020年初COVID-19开始以来,人们就已经在利用半导体技术去寻找治疗方法、照顾病人、居家工作和学习、订购杂货和其他基本物品,以及维持支撑现代社会的无数其他系统。这提醒人们半导体在应对世界上最紧迫的挑战和危机中的重要性。

美国半导体行业继续保持其在半导体技术方面的全球领先地位,这些技术对未来至关重要,包括人工智能(AI)、量子计算和先进的无线网络(如5G)。尽管2019年全球销量同比增长为负,但美国半导体行业仍保持了其全球市场份额的领先地位,并且在研发(R&D)和资本支出(capex)方面保持了很高水平的投资。

这些行业投资使美国在半导体创新方面保持了领先的地位。美国企业在5G技术方面处于领先地位,且已经开发出了所有与人工智能和大数据相关的先进半导体,这些半导体为从超级计算机到互联网数据中心的一切事物提供了动力。

然而,美国汽车业面临着一系列挑战。新冠肺炎疫情颠覆了全球经济,扰乱了全球供应链,造成短期内市场的严重不确定性。在半导体制造和设计领域,尤其是在前沿领域,不断上升的创新成本也构成了新的挑战。此外,尽管美国在半导体设计和研发方面仍处于全球领先地位,但芯片制造的较大份额目前正在亚洲。最后,全球政治的不稳定,特别是在贸易政策方面,迫使美国工业考虑如何在一个不可预见的不确定性和政策限制的世界中保持竞争力。美国半导体行业非常依赖其深厚的全球供应链和进入海外市场的渠道。

总体而言,尽管美国行业继续领先于全球行业,但在寻求保持其在未来的领先地位时,也面临着明显的挑战。

全球半导体市场
五十年前,半导体技术帮助人们登上月球,并使他们安全地返回家园。最近,半导体使自动驾驶汽车成为可能。半导体对于从经济到国家安全的所有事物的运行已变得至关重要。半导体的市场需求推动着芯片的发展,并为我们的生活带来便利,使得不可能成为可能。这就是为什么半导体行业能够保持长期增长的原因。但是,在短期内,COVID-19大流行和其他宏观经济因素存在着重大的不确定性。

继2018年创纪录的4,688亿美元的销售额之后,2019年的全球半导体销售额下降12%至4,123亿美元,这主要归因于存储器市场的周期性。2020年6月发布的《世界半导体贸易统计(WSTS)半导体市场预测》预测,全球半导体行业的销售额在2020年将略有增加,达到4260亿美元,较2019年秋季的2020年预测有所下调,这主要是由于COVID-19大流行在2020年初给全球经济和供应链到的负面影响。到2021年,据WSTS预测,全球半导体销售额将反弹至4,520亿美元。


(全球半导体销售额)

半导体市场的推动力
半导体不仅为智能手机、电脑、汽车和工业设备的各种产品提供了技术支持,同时也创造了人工智能、量子计算和先进无线网络(包括5G)等新兴市场。半导体是推动技术进步的发动机。先进的半导体可以创造更好的产品,带来更大的需求和销售收入,进而为开发更先进的半导体增加研发投入,促使新的应用出现。

例如,将低功率模拟和射频(RF)电子设备封装到芯片上,从而使手机成为可能。将所有这些打包在一起并连接到网络后,智能手机也就此出现了。这一创新也使数字经济成为可能,因为越来越强大的微处理器和网络芯片使计算机具备了足够的能力来支持云计算。如今,它正在开辟新的需求领域。而当前终端需求市场份额保持稳定。

数据显示,用于终端市场的需求直到2018年都很稳定,但在2019年中,几乎所有用于终端产品的半导体价格都出现下降。终端产品售价下降的一个主要因素是由于内存产品的价格下降。

(2019年终端使用需求)

( 按终端用途分类的2019年全球半导体总需求份额)

现在,人工智能、量子计算和先进的无线网络正在开拓半导体需求的新领域,美国公司正准备从中获益。如果历史可以为鉴,那么将来将会出现许多今天无法想象的应用。当第一部手持手机以及后来的智能手机出现时,人们认为只有高管才会使用它们。就在40多年前,第一个有四种功能的手持计算器在航空杂志上以每台500美元的价格出售,相当于今天的2400美元。那时,手持电话其实就是用电线连接到桌子或墙上的电话上的接收器。后来,令人惊讶的是,如今售出的每一部智能手机的计算器和电话功能几乎都是免费的,真正的增值是摄像头和互联网连接。在半导体领域出现第一次创新之前,这一切都不可能发生。

而我们可以想象一个半导体的未来。

智慧城市使用半导体从智能手机收集位置,方向和速度数据,以协调交通信号灯并优化交通流量。随着车辆在未来变得更加自主,它们将与交通信号灯摄像头连接,这些摄像头可以检测建筑,倒下的树木,或更重要的是,可以发现在道路上玩耍的孩子。因此5G变得更加重要。

在未来,同样的半导体技术将被用于建造更高效的工厂,通过物联网(IoT)连接起来,机器人将使组装更高效。拥有5G连接的智能私有云将提供运行智能工厂所需的人工智能。

美国半导体市场份额
半导体是在美国发明的,美国工业今天仍然是市场的领导者。尽管美国的地位在过去几十年里多次受到挑战,但由于其惊人的韧性和追赶技术的能力,使得美国始终占了上风。这并不意味着美国在未来不会受到挑战。半导体的重要性如此之大,以至于大多数信息时代的国家都在努力创建他们在半导体关键行业中某一些方面的优势,同时,世界上还有一些国家则在寻求追赶美国。

数据显示,美国半导体行业占据全球近一半的市场份额,并呈现稳定的年度增长。

自20世纪90年代末以来,美国半导体行业一直是全球销售市场份额的领导者,年全球市场份额接近50%。此外,美国半导体公司在研发、设计和制造工艺技术方面也保持着领先地位或极具竞争力。

全球销售市场份额的领先地位还使美国半导体产业可以从良性循环的创新中受益;其在半导体销售的地位使美国工业界可以对研发投入更多,从而有助于确保美国销售领导力的持续。只要美国半导体行业在全球市场份额中保持领先地位,它就将继续从这一良性创新循环中受益。


(左:2019年全球市场份额  右:创新的良性循环)

虽然美国的半导体公司在商业模式和子产品方面是市场领导者,但是对于某些细分商业模式市场,美国的产业落后于其亚洲竞争对手。

美国半导体行业在逻辑和模拟半导体的销售方面保持市场领先地位。但是,在存储器和分立半导体,其他国家和地区的行业处于领先地位。

同样,就商业模式而言,美国在某些领域(但不是全部)处于领先地位。

例如,亚洲继续主导着半导体代工业务。近80%的半导体代工厂和组装/测试业务集中在亚洲。尽管全球供应链推动了该行业的价值和效率提升,但它们也警醒了美国需要考虑在这一领域进行战略投资的必要性。

(美国半导体工业市场份额,按产品类型分类)

(美国半导体工业市场份额,按商业模式分类)

(一)美国技术竞争力
美国半导体行业是先进半导体芯片设计领域中无可争议的技术领导者。美国在AI所需的平台技术,微处理器,图形芯片和可编程逻辑处理器中占有大部分的市场份额。当今用于前沿逻辑应用的较先进的10纳米(nm)技术,在大约四分之一大小的芯片上封装了超过200亿个晶体管。

美国在5G相关半导体的关键设计中处于有利地位,在支持无线通信,网络管理和数据存储的芯片中也均处于领先地位。

此外,美国公司正在努力开发用于自动驾驶汽车的新芯片,包括先进的图像传感器,数据处理器和车载雷达。

美国在逻辑处理技术(即制造先进处理器、图形和人工智能芯片)方面仍然处于优势地位。然而,由于制造和技术成本的上升以及海外竞争的加剧,使得美国的领先地位已经减弱。

2010年,美国比其最接近的竞争对手韩国和中国台湾领先整整两年。在2019年,美国在逻辑处理技术上与另外两者并驾齐驱,他们都在竞相将其领先的7/10 nm技术推向市场。鉴于先进半导体制造技术的重要性,美国必须进行重大投资,以加强其全球影响力。

(左:逻辑制造的地位(领先或落后)  右:处于领先地位的制造半导体公司较少)

美国半导体行业的研发支出一直很高,这反映出美国市场份额领先地位与持续创新之间的内在联系。

从1999年到2019年,美国半导体行业研发支出以大约6.6%的复合年增长率增长。无论年度销售周期如何,美国半导体公司的研发支出往往持续较高,这反映了研发投资对半导体生产的重要性。2019年,美国半导体产业研发投资总额为398亿美元。


(研发支出)

(二)5G霸主地位的全球竞争
5G是当今通信领域竞争最激烈的领域。它更快的速度和带宽对于实现智能城市和建设自动驾驶汽车所需的基础设施至关重要。半导体对于5G的部署至关重要,因为它们为传输信号的无线电设备、连接到网络的设备以及携带所有数据的主干网络提供了支持。在这里,美国公司在半导体领域处于领先地位,但政治和监管方面的不确定性,尤其是在中国市场,削弱了美国公司的竞争地位。

与此同时,中国正在积极追求5G。华为正在以比美国更快的速度建设5G基础设施,并将该技术嵌入手机中。华为还计划利用终端需求推动其基础设施,在2020年底之前向市场投放300美元的5G智能手机。缺乏进入中国巨大市场的渠道可能会严重阻碍美国在这一关键领域的发展。

值得一提的是,美国半导体行业的研发占销售额的比例是美国所有行业中较高的。

数据显示,就研发支出占销售额的比例而言,美国半导体行业仅次于制药和生物技术行业。虽然全球竞争者都在增加研发投资以与美国半导体行业竞争,但美国公司在研发上的投入占销售额的比例超过了任何其他国家的半导体行业。这些对研发的高水平再投资推动了美国半导体行业的创新,进而帮助它保持全球销售市场份额的领导地位,并在全美创造就业机会。

(研发支出占销售额的百分比)

(三)美国制造业和劳动力
美国在半导体领域的领先高度依赖于两个关键因素:
1.能够投资于先进的半导体设计和制造;
2.拥有具有竞争力的劳动力。

2019年,美国的资本支出总额仅次于韩国,在生产先进逻辑设备的工厂和设备方面,美国的投资位居世界第一,占世界总投资的44%。美国的一个关键优势是能够吸引全球各地的人才来美国大学学习并选择留在美国。拥有受过高等教育、精通STEM的劳动力,这对美国未来在半导体领域的领导地位至关重要。

此外,美国半导体行业的资本支出强劲。

美国半导体行业在资本支出方面处于全球领先地位。这表明了美国工业在全球工业中作为主要制造业领导者的地位。此外,这笔支出的很大一部分用于购买设备,帮助运营全美较先进的晶圆厂。接近一半的美国半导体工厂的产能位于美国,遍布18个州,这刺激了美国的出口和就业。

然而,其他国家/地区开始在资本支出上投入更多,并且与美国的竞争也越来越激烈。在过去的三年里,韩国半导体行业的晶圆厂资本支出显着增加,同时,中国在建造新晶圆厂的资本投入也在持续增加。

事实上,美国目前只占半导体生产总量的12.5%,其中80%以上的生产发生在亚洲。考虑到当今不确定的政治环境下,美国需要采取更多措施来刺激国内半导体制造业。值得一提的是,美国无晶圆厂企业目前几乎完全依赖亚洲制造商(台积电)来生产7纳米以下的芯片,这也是决策者一直在强调的国家安全问题。

(资本支出占销售额的百分比)

(左:投资于晶圆厂/逻辑厂的资本变化趋势;右:2019年半导体资本支出的百分比)

( 美国各地的半导体制造)

另外,我们还需要说一下,美国的半导体制造能力一直很稳定。

与科技制造业的其他许多领域不同,美国半导体行业的制造业产出多年来一直保持稳定。这种稳定性为美国晶圆厂带来了稳定的制造业就业基础,也是美国向海外市场出口的主要来源。然而,尽管美国的半导体制造基地仍有着稳固的基础,但世界各地的产能增长速度已经超过了美国,从而逐步侵蚀了美国在全球制造产能中的份额。

2019年,全球新建的六家半导体晶圆厂都在美国以外,其中四家在中国。中国政府正在为这些新厂投入大量资金。美国政策制定者应该优先考虑制定适当的政策,鼓励国内的fab项目建设,以与其他国家政府提供的项目相竞争。

( 预计亚洲几乎所有制造业都将实现增长,2019到2030,全球晶圆产能预测)

(美国晶圆产量(每月)

2019年,美国半导体出口总额为460亿美元,在美国出口中排名第五,仅次于飞机、成品油、原油和汽车。一直保持较高水平的原因有两个:

1.今天售出的半导体中有80%以上是在美国市场以外销售的;
2.美国有大量的半导体工厂产能。

(美国2019年出口最多的商品类别)

美国半导体制造商在美国的制造基地比在其他任何国家都多。

2019年,约有44%总部位于美国的公司的前端半导体晶圆厂产能位于美国。其他的则分布在新加坡,中国台湾,欧洲和日本。值得注意的是,与其他主要市场相比,中国在前端制造方面吸引的美国投资更少。

不幸的是,在过去十年中,海外芯片制造业的平均增长率是美国的五倍。这在很大程度上是由于各国实施了强有力的激励计划来刺激半导体制造业。为此美国必须考虑采取类似的激励措施才能保持竞争力。

(总部位于美国的半导体晶圆公司占比)


(四)美国半导体创新政策
联邦政府是制定促进强大和创新的美国半导体产业政策的重要合作伙伴。而在过去的一年里,美国的政策制定者已经采取措施以推进该行业的发展,包括研究、劳动力以及贸易和知识产权(IP)等方面。

在研究方面,2019年,美国政府继续资助能源部(DOE)、国防部(DOD)、国家标准与技术研究所(NIST)和国家科学基金会(NSF)的半导体研究项目。政府最近还宣布了旨在支持美国半导体工业的新研究计划,包括能源部的量子信息科学计划、国防部的电子复苏计划(ERI)和国家安全与经济竞争力的微电子创新计划。

在劳动力方面,众议院通过但尚未得到参议院批准的国会立法,将取消对就业签证的不合理和适得其反的限制,支持公平的“先到先得”制度。

而在贸易与知识产权方面,美国-墨西哥加拿大协议(USMCA)是一项自由贸易协议,旨在加强美国半导体产业,已由总统签署并获得国会批准。此外,在过去的一年中,联邦政府加大了对知识产权贸易侵用的起诉。

虽然在这三个领域取得了进展,但政府需要采取更多行动,以确保美国半导体行业的强大,并帮助该行业克服来自中国和其他全球竞争对手的挑战。

为了确保美国在全球半导体行业的持续领导地位,美国必须进行一些创新议程。

1.研究
将美国联邦科学机构在半导体专项研究方面的投资从每年大约15亿美元增加到50亿美元,用于改进新材料、设计和架构,以成倍提高芯片性能。

将美国在材料科学、计算机科学、工程和应用数学等与半导体相关的联邦科学机构的研究投资增加一倍,以刺激半导体技术的跨越式创新,这将推动未来的关键技术。

2.国内制造
建立一项新的制造补助金计划,以刺激在美国建造新的先进半导体制造设施,包括领先的逻辑代工厂,先进的存储器和模拟晶圆厂,以提供国防,关键基础设施和更广泛的基本商业需求。

为半导体制造提供税收优惠,例如为购买新的半导体制造设备提供可退还的投资税收抵免。

3.劳动力
改革高技能移民制度,使美国高等院校合格的STEM毕业生以及来自世界各地的STEM毕业生能够工作、创新,为美国在半导体行业的领导地位作出贡献,并促进美国的经济。

将美国在STEM教育上的投资增加50%,并实施一项全国STEM教育计划,到2029年使美国STEM毕业生人数增加一倍。

4.贸易和IP
批准自由贸易协定并使之现代化,包括《美国墨西哥-加拿大协定》,以消除市场障碍,保护知识产权并促进公平竞争。

为执法和情报机构增加资源,以防止和起诉包括盗用商业机密在内的半导体知识产权盗窃案。

通过实施这些政策,国会和政府可以采取关键步骤,保护美国在半导体技术方面的领导地位,并赢得未来技术的全球竞争。

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