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外媒:美国如何重返半导体制造巅峰?

2020-7-6 09:58| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 43513| 评论: 0|原作者: Scott Jewler|来自: EETOP

摘要: 美国成功重返半导体制造市场巅峰绝不是确定的赌注。两党对美国《 CHIPS法案》的支持是令人鼓舞的,但是仅靠资金可能无法解决导致半导体制造业海外制造不成比例增长的系统性问题。英特尔生产CPU和GPU设备。美光生产存 ...
美国成功重返半导体制造市场巅峰绝不是确定的赌注。两党对美国《 CHIPS法案》的支持是令人鼓舞的,但是仅靠资金可能无法解决导致半导体制造业海外制造不成比例增长的系统性问题。

半导体价值链
2018年十大半导体公司中有六家总部在美国。它们是英特尔(intel)、美光(Micron)、博通(Broadcom)、高通(Qualcomm)、德州仪器(TI)和英伟达(nVidia)。英特尔,美光和TI是集成设备制造商或IDM。这意味着他们在自己拥有和经营的工厂中生产大部分产品。这些工厂可能位于美国或国外,但通常是两者的组合。Broadcom,nVidia和Qualcomm是无晶圆厂半导体公司。他们设计和销售半导体芯片,但依靠晶圆代工厂和外包半导体封装与测试(OSAT)服务提供商来制造他们的设计。

英特尔生产CPU和GPU设备。美光生产存储设备。这些都是大批量,相对低混合的产品,需要对资本资产进行持续投资以提高性能。TI主要生产模拟和嵌入式处理器设备。这些设备的资本密集度较低,因为产品的使用寿命更长,并且无需更换整个生产线就可以实施新的设计。

Broadcom,Qualcomm和nVidia是另一种称为无晶圆厂供应商的半导体公司。他们没有拥有或经营自己的芯片制造设施。他们从称为晶圆代工厂的供应商那里以晶圆形式采购集成电路,并将这些芯片切成小块,封装并经过测试的OSAT公司。尽管Globalfoundries和三星在美国拥有晶圆制造厂,而台积电(TSMC)宣布了在亚利桑那州建立晶圆厂的计划,但绝大多数无晶圆厂半导体制造都在亚洲进行。美国没有大型OSAT工厂,半导体封装和测试也主要放在亚洲进行。

如下图1所示,全球半导体行业的无晶圆厂部分已从1999年占行业总量的7%增长到2019年的30%。这代表了13%的年复合增长率,而IDM部分市场的年复合增长率为4%。IDM部分市场的波动性也明显更高。这主要是由于内存设备的巨大收入贡献和这些产品的定价波动所导致的,而这些产品的定价波动是由频繁的供应不足和过剩条件周期所导致的,因为竞争对手寻求产生现金以抵消保持其工厂领先优势所需的大量资本支出。


图1

英特尔,美光和TI都在美国生产了很大一部分半导体晶圆,但大多数情况下,他们将这些晶圆运往亚洲进行封装组装和最终测试。为什么是这样?

封装组装和测试从1960年代末开始转移到亚洲。当时,这些操作是高度手动的,转移到亚洲可以立即节省人工成本。如今时代变了,现代的装配工艺工具是完全自动化的,直接人工通常仅占制造成本的10%至15%。封装组装和测试虽然不如前沿晶圆制造那样耗费大量资本,但确实需要持续的投资来支持便携式设备(如手机)中的更高级别的功能集成以及用于云处理的高性能计算。

OSAT业务竞争激烈,毛利率通常在20%左右。亚洲制造商在过去50年里一直在摸索如何经营这些非常精简的业务。在这个业务中赚钱是很困难的。在没有确定订单量的情况下,必须进行资本投资。较大的OSAT公司在其巨大的工厂里同时运行着数千种不同的零件编号。新产品不断推出。热销的新消费品的生产速度可以快得令人难以置信,在不到一个月的时间里,从工程级生产到每周数百万件。这不是一个胆小者可以做的生意。

为什么半导体的供应商供应链至关重要?
OSAT行业最初向亚洲转移是为了降低人工成本,而晶圆代工行业在亚洲的地域集中度却有着不同的历史。随着建造先进晶圆厂的成本从数亿美元增加到如今的120亿美元,越来越少的公司会有财力来开发自己的制造技术和建造自己的晶圆厂。在特定设备系列中具有可预测需求的市场中具有主导地位的公司可以进行这些投资,而规模较小的专业公司则不能。通过将许多较小的无晶圆厂设计公司的业务合并到一个通用工厂中,并通过内部开发的第三方IP模块促进生态系统的发展,台积电创造了独特的解决方案,使无晶圆厂市场的巨大增长成为可能。现在,世界上许多较大的设备公司都使用晶圆代工厂和OSAT来进行制造。

该模型也使最终用户受益。系统设计人员可以与无晶圆厂供应商合作,以采购芯片,而无需达到经济规模来支持专门的工厂。更多的设计公司增加了可用芯片的种类,并更好地将设计与各种最终用例进行了匹配。

这种情况也给美国国防工业带来了困境,美国国防工业的规模通常不大,但通常需要领先的制造解决方案。

中国台湾制造商知道美国制造商不知道什么?中国台湾现在显然是半导体制造的领头羊,世界上较大的晶圆厂(台积电)和OSAT(ASE)的总部都设在台湾。这两家公司的大部分生产也在台湾进行,并建立了极具竞争力的实践和高效的生态系统,以保持其设施以可靠和具有成本效益的方式运行。

晶圆制造可以包括2000多个领先的工艺步骤。为了生产出功能正常的设备,这些工艺步骤中的每一个都必须得到较精确控制。虽然从历史上看,制造工艺中的封装部分远没有那么复杂,但近年来,智能手机等终端产品功能密度的增加和云计算的性能要求,推动了封装技术的迅速发展。

当许多不同的产品在同一条生产线上制造时,如晶圆代工或OSAT的情况,挑战就会大大加剧。产品生命周期管理(PLM)和新产品导入(NPI)流程必须严格控制。新产品通常在工程监督下,在一套工具上运行。从新设备的初始鉴定到随后的大批量制造,可能需要几个月的时间。制造商必须确保在NPI期间开发的工艺配方得到较精确的遵循。延迟新产品投产的成本会给客户带来巨大的收入和市场份额损失。在新产品源源不断的驱动下,台湾的商家制造商在开发PLM和NPI流程方面非常成功。虽然这些技术当然可以在其他地区发展,但这些组织在数十年来管理这些复杂要求的过程中所获得的制度性知识是非常宝贵的,并形成了一个重要的进入壁垒。

台湾的制造商管理着这些复杂的工艺流程以及PLM和NPI要求,同时始终不渝地关注成本。这种压力在台湾造成了一个庞大而复杂的生态系统,由较小的供应商制造,这些供应商以比原始设备制造商(OEM)更低的价格生产备件和消耗品。这些供应商相互竞争,同时降低了自身成本,提高了生产率和质量。随着时间的流逝,越来越多的复杂组件从该国内市场采购,每年为中国台湾的半导体制造商节省了数亿美元。

美国政府和企业如何才能创造一个充满活力的国内半导体制造产业?
美国CHIPS法案的通过是至关重要的第一步,但重要的是,资金的使用方式应能促进国内制造业生态系统的可持续发展。简单地抵消美国和亚洲制造业之间现有的成本差异,充其量只能产生暂时的影响。必须解决这些市场之间的系统性差异,以确保国内半导体制造业的长期成功转型。

必须集中精力了解目前美国和亚洲制造业之间不平衡的根本原因,并将资金用于克服这些原因。美国应寻求建立一个支持国内商业制造的生态系统,使无晶圆厂的半导体公司能够在美国国内的晶圆厂和OSAT中以成本效益和可靠性的方式制造其尖端产品。这将为商业和国防工业带来较大的利益。

要实现这一目标,需要采取一些具体行动。

首先,取消对海外制造的税收优惠。这是没有道理的。尽管纠正了使海外制造的半导体公司少缴税的漏洞看起来很诱人,但需要权衡这一决定的影响和全球竞争环境的现实。通过提高税收为美国设备公司增加成本将使他们的国际竞争对手受益。更妙的是,允许国内制造商享受与在国内制造零件时在海外制造时看到的相同的税收优惠。

其次,解决美国和中国台湾制造商之间在领域知识方面的差距。美国IDM和代工厂不一定是操作大量,低成本代工厂的专家。没有大型的美国OSAT。在过去的20年中,国内制造模式和业务流程的发展方式与台湾不同。制造领域知识的国际转移推动了许多行业的国际增长。过

第三,构建整个半导体制造的生态系统,鼓励私人投资。规模在晶圆制造和封装与测试中非常重要,但要实现成本平价,还需要一个多样化的材料、备件和消耗品的生态系统。补贴较小的制造商和机械厂投资于支持半导体制造业所需的工具和开发活动。确保第三方IP开发者有动力使用国内代工设计规则进行设计。

第四,确保厂家感受到竞争,培养竞争能力。这不是一朝一夕的事,但需要作为最终目标。为制造商创造激励机制,让他们以一种可怕的紧迫感来经营。确保他们 "为资产流汗",将他们的资本资产生产率至少推到台湾目前可以达到的水平。给予他们积极但可实现的成本目标,促使他们达到全球竞争力,以便在政府资金停止时,他们能够在全球市场上竞争。

第五,严格追踪CHIPS forAmerica的资金及其使用情况。在半导体产业中,破坏数十亿美元的资本是出奇的容易。确保最终用户有激励措施在国内供应商的资质上投入时间和金钱。跟踪进度,确保国内厂商在良品率、质量、周期时间和成本方面不断进步。他们不会立即缩小差距,但他们应该能够不断进步。

结论
半导体器件使我们的互连世界成为现实。尽管美国在半导体设计,制造设备和工艺技术方面处于领先地位,但它缺乏蓬勃发展的半导体制造部门,尤其是在重要的无晶圆厂半导体领域。最近的事件促使人们对振兴的国内半导体制造业重新产生了兴趣。公共资金可以帮助促进该行业发展,但如果没有适当的分配、管理和重点,仅靠资金是无法解决目前限制私营企业在这一市场上盈利竞争能力的系统性问题的。

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