[原创] 美国芯片制造水平究竟如何?能崛起吗?

2020-09-18 14:00:04 来源: 半导体行业观察


引 言


半导体对于经济竞争力和国家安全至关重要。半导体技术的创新是推动全球经济数字化,人工智能(AI)和5G通信的基础。例如,在增强现实或虚拟现实体验,物联网,工业4.0系统和自动驾驶汽车这些方面,革命性的技术应用正逐渐成为商业现实。

除此之外,国防也依赖于由先进半导体组件提供动力的成熟电子系统。《2018年美国国防战略》中所列出的国防现代化重点领域就包括微电子,5G和量子科学,这些都是需要美国投资的战略领域。其他重点领域(例如网络安全,人工智能,自主系统和先进的成像设备),也极其依赖于半导体行业的发展。随着数字化连接的电子系统对于管理先进武器系统和关键基础设施变得越来越重要,能够提供兼具经济性,可靠性和组件安全性的半导体供应商,将在国家安全方面起到更加关键的作用。

由于半导体对技术领先地位和国家安全的战略意义,许多国家现在更为关注其在半导体价值链中的地位。美国一直是半导体领域的全球领导者,在过去30年中,美国在全球半导体行业收入中所占份额为45%至50%。但是当前美国在半导体制造领域的份额正在下降,仅占全球装机容量的12%。 1

中美之间持续的地缘政治摩擦,以及COVID-19大流行造成的破坏,也引发了对美国半导体公司在全球供应链的潜在漏洞的质疑,这主要是因为制造业活动集中在东亚。近年来,美国发起了许多与美国国防部有关的计划,例如“受信任和有保证的微电子”倡议,以确保国内供应价值链在制造业层面的安全。全球最大的半导体代工公司台积电(TSMC)于2020年5月宣布,该公司计划在亚利桑那州建立先进的晶圆厂。这个计划是提升美国先进半导体制造能力的第一步。

为了满足预期增长的半导体需求,从2020年到2030年,全球的制造能力将显著提高,这为美国吸引更多新晶圆厂提供了市场。在本报告中,我们将分析美国扩大半导体制造业历程的案例。我们首先探讨美国半导体制造业目前的状况和趋势,以确定如果现状持续,美国在全球制造容量的份额将如何变化,以及这种状况和趋势对美国半导体产业的潜在影响。

为了了解多年来美国在全球制造业中所占份额持续下降的根本原因,我们分析了在美国与其他国家和地区建造和运营三种类型的晶圆厂的总成本差异。我们还研究了各个国家和地区所提供的政府激励措施的水平。分析结果表明,与目前在中国和中国台湾地区,新加坡以及其他在半导体制造方面具有重要影响力的国家和地区相比,美国晶圆厂成本要高出40%至70%,这与美国相对欠缺的激励措施有直接关系。

我们建立了一种分析模型,以评估美国在全球制造产能中所占份额的未来趋势。尽管本报告未提供政策建议,但我们提出,如果美国要设定目标以在未来半导体制造业产能中占据重要份额,并扭转过去30年中美国制造产能持续下滑趋势,美国政府还应该推出哪些额外的激励计划。长远来看,我们认为这些激励计划尤为重要,因为芯片设计与制造之间需要更紧密的研发合作,以开发芯片架构和材料方面的创新。如此一来,美国的下一代半导体芯片性能能够实现质的飞跃,而其成本可以大幅降低。这具有重要战略意义,因为技术行业和先进的国防系统都依赖于半导体行业的发展。


目前美国在半导体制造领域的地位


美国发明了集成电路,长期以来也一直是半导体的全球领导者。在半导体行业,美国公司始终占全球总销售额的45%至50%。美国在整个价值链中的强势地位促成了这一地位。美国公司在电子设计自动化工具(EDA),知识产权核心(核心IP),集成电路设计和制造设备中的综合市场份额超过50%。相比之下,美国在半导体制造能力中所占的份额(1990年为37%)现在仅为12%。(请参见图表1)

美国在分立,模拟和光电产品中的制造能力份额仍然很高(30%)。实际上,美国仍是半导体特定领域的全球制造业领导者,例如复合半导体,射频和体声波(BAW)滤波器(尽管这种地位现在也受到亚洲新投资的挑战)。但是,美国在内存(4%)和逻辑系统(12%)方面的份额要低得多,预计增长最快的细分市场将在未来十年推动90%的容量增长。

图表1-与其他半导体价值链和其他战略性产业相比,美国制造业所占份额较低

资料来源:半导体价值链来源于Gartner,半导体工业协会(SIA),VLSI研究,SEMI和公司财务的市场数据进行的BCG分析;美国占制造业附加值的份额来源于牛津经济研究院对宏观经济数据的BCG分析。


注:DAO指离散,模拟和光电;EDA指电子设计自动化工具;ICT指信息和通信技术;OSAT指外包半导体组装和测试。


美国半导体制造业所占份额的下降与美国其他行业的制造业的总体趋势一致。美国在全球制造业增加值中所占的份额从1990年代的25%降至2018年的17%。 2 但是,目前美国仅占半导体制造业份额的12%,远低于美国在航空航天等其他战略性行业中的份额(美国的全球制造业占49%),医疗设备和药品(约占25%)以及石化产品(约占20%)。在依赖先进制造业的行业中,美国仅在劳动密集型行业(消费电子占3%,计算机和网络硬件占8%)的份额低于其半导体制造业。

与其他几个行业不同,美国半导体行业没有经历过大规模的重组浪潮,这与美国制造工厂的关闭和迁移至国外相关。相反,在过去30年中,美国的制造能力以每年7%的累计年增长率增长。但是,同期全球产能每年以11%的速度增长。美国的装机容量增幅已经被中国台湾地区,韩国和中国大陆等亚洲国家和地区超越,因为他们一直在进行大力投资以成为制造业龙头。(参见图2。)

图表2-亚洲国家和地区超过美国装机容量的增长
资料来源:VLSI研究预测;SEMI 2020年第二季度更新;BCG分析。

注:所有值均以8英寸等效值显示;不包括容量低于5 kwpm或小于8英寸的容量。

政府政策一直是亚洲半导体强劲增长的主要因素。这些国家和地区把战略重点放在半导体上,并以优惠的政府拨款,税收减免和其他政府激励措施以支持其国内制造业的发展,从而使本国的经济体更具吸引力。

与此同时,半导体行业见证了“无晶圆厂”模式的兴起。许多美国公司采用了这种商业模式,使他们能够专注于半导体设计和商业化,同时又依赖于国外制造合作伙伴(也称为专用或纯“代工厂”)。这些合作伙伴在其他国家/地区可以获得较低的成本和更具吸引力的政府激励措施。他们还能够降低广泛的全球客户在大规模资本投资方面的风险。专用晶圆厂占全球制造能力的38%,其中仅7%位于美国。相比之下,美国在全球集成设备制造商(IDM)拥有的能力中所占的份额要高得多(占14%),后者在自己的工厂中设计和制造其产品,因此可以通过将两个流程都放在同一地点来实现协同效应。

美国在全球制造能力中的份额预计将进一步下降。有关计划中的晶圆厂建设最新数据表明,美国已经开发的新产能仅占总计划的6%,并且在未来五年内开始运营的新产能将位于美国。这大大低于美国目前在全球已安装容量中所占的份额(12%)以及美国从2010年到2020年在全球新增容量中所占的比例(10%)。

我们估计,如果不采取任何行动,到2030年,美国在制造业中的份额将减少到10%。相比之下,中国大陆计划增加全球新增产能的40%,并有可能成为已安装半导体的全球领导者。到2030年,其制造能力将达到全球总产能的24%,大约相当于中国大陆设备制造商对半导体的全球需求份额。尽管在2030年之前,中国在制造工艺技术上可能仍落后一到两代,但其庞大的制造基地可能会加速其学习曲线从而缩小差距。

此外,在现有产业集群中发展新的半导体制造能力方面,协同作用尤为重要。实际上,半导体公司将其视为在选择新晶圆厂位置时要考虑的最重要因素之一。 3 这种协同作用产生了一种自我增强的动力。随着时间的推移,美国制造业份额将进一步下降,并且中国大陆以及亚洲其他已经建立晶圆厂的国家的份额会进一步扩大。最终,如果在当前条件下没有重大变化,美国将越来越难以在半导体制造领域留存任何强大的制造能力。


与美国相反,长期以来,半导体制造一直是中国的当务之急,中国近年来也一直在加快实现目标。如下图所示,中国在全球半导体制造能力中所占份额的快速增长。

资料来源:来自SEMI,IC Insights和VLSI Research的中国市场数据;经合组织;BCG分析。

为什么半导体制造如此重要


制造业占全球增加值的45%,约占全球半导体产业总研发投资的20%至25%。制造业是半导体行业不断发展的中心。(参见图3)。在过去的五十年中,通过工艺节点规模化(通常称为摩尔定律)的半导体制造不断进步,半导体性能和降低成本取得了惊人的进步:每个晶片的晶体管数量增长了将近1000万倍,这使得处理器速度提高了100,000倍,并且在性能相当的情况下,每年的成本降低了45%以上。这项技术进步的飞速发展,促使其从1980年代的大型机过渡到2010年代的智能手机,这是生产力和经济增长的驱动力。

图表3-半导体制造的进步推动了芯片性能和成本的显着提高
资料来源:英特尔;Singularity.com;维基百科;BCG分析。

既有研究表明,在产品设计和制造流程紧密相关的行业中,制造业与研发的隔离会对行业发展产生负面影响。 4 在半导体领域,无晶圆厂业务模式的成功需要设计公司与其代工合作伙伴之间的合作,但是地理位置相近并不是必要条件。

但是,半导体行业正在寻求芯片架构和材料方面的新突破,以维持性能提高的步伐以及使诸如AI或量子计算等新的关键技术得到应用的成本。这些新领域的进展取决于设计与制造之间不断加强的研发合作。 5 鉴于美国半导体行业在基础科学,集成电路设计和生产设备方面的领先地位,增强其制造能力可能会它引领着这些创新领域的发展,为未来创造了新的技术范式。

美国领先地位的保持为定义半导体制造的时间,标准和商业模式提供了重要的战略优势,从而推动了从制造设备和工具到设计的整个价值链的创新步伐。

保持强大的国内制造能力对于确保美国半导体行业具有高度弹性的供应链也至关重要。全球约有75%的半导体生产能力集中在东亚,在强大的集群效应的推动下,这一数字有望继续增长。预计到2030年,仅中国大陆就将占据全球总制造能力的25%。中国台湾地区目前占领先和高级节点(10纳米或以下)的全球容量的47%,这些节点用于高级逻辑系统设备,例如为智能手机或数据中心供电的高性能处理器。在内存方面,韩国约占半导体总需求的30%,而韩国则占全球容量的40%以上。正如COVID-19危机所表明的那样,一个国家或地区的高度集中使全球供应链易受自然灾害,疫情或地缘政治冲突等破坏的影响。考虑到半导体产业对美国经济和国家安全的战略性,通过地理多元化来增强供应链的弹性势在必行。

在美国拥有更大的半导体制造空间还可以为美国经济带来更多好处:

1、发展当地高科技集群,创造高质量的就业机会和经济繁荣。 一个新的标准规模的晶圆厂需要3,000至6,000名员工,人员具体数量取决于具体的产品和技术。这种直接创造就业机会通常会为当地经济产生倍数效应,随着时间的流逝,它还可以帮助吸引价值链中的其他公司,这些公司希望从集群效应中受益,例如半导体生态系统中更紧密的协作,进入本地人才库,已建立的支持基础架构等。美国已经拥有一批充满活力的半导体制造集群,例如达拉斯和奥斯汀(都在德克萨斯州),波特兰(俄勒冈州)和菲尼克斯(亚利桑那州)周围的城市。

2、改善美国商品贸易平衡。 美国在半导体方面的贸易顺差非常大,2019年将超过80亿美元。在美国拥有更多的晶圆厂可以通过增加在美国设计和制造的半导体产品的出口来扩大这一顺差,无论是面向最终客户还是海外设施出口外包半导体组装和测试(OSAT)供应商,从而通过封装和测试最终确定生产过程。

在价值链上实现集群效应并增强其全球供应链的弹性对于美国半导体产业的持续竞争力至关重要。这并不是说美国应该为实现广泛意义上的“自给自足”目标而盲目地恢复半导体制造能力。半导体行业本质上是全球性的,因为国家和地区在整个价值链中针对不同活动具有明显的比较优势。这种特性使美国和外国公司能够以最低的经济成本获得最佳能力,从而可以推动该行业技术突破背后的创新“良性循环”。 6 此外,正如东亚制造业高度集中导致美国半导体的供应链漏洞,美国境内用来满足国内市场需求的产能也会导致类似的情况。

了解美国竞争力与其他国家可替代选址


美国在全球半导体制造能力中所占份额的下降并不是缺乏技术能力的问题。实际上,美国在领先节点和先进节点(10纳米或以下)的全球产能中占28%的份额,大大高于其在所有制程节点中12%的份额。美国公司是所有领域(逻辑系统,内存和模拟)以及fab软件,设备和过程控制工具的制造工艺技术研发的全球领导者。涉及半导体制造的全球前20名公司中有8家(包括IDM和代工厂)已经在美国进行制造,它们合计占当前全球产能的80%以上。半导体制造商在美国雇用了大约18万名工人,并在美国18个州运营晶圆厂。

那么,为什么公司选择在美国境外建造晶圆厂呢?我们根据半导体行业的相关经验,与行业领导者进行的讨论,以及对参与制造的美国半导体公司的调查来确定:公司决定在何处建立新晶圆厂的关键标准,以及将美国与其他替代地点进行比较所得到的相对位置。(参见图4)

在五个最重要的因素中,美国排名非常有利:与现有规模的协同作用,人才的获取以及对知识产权和资产的保护。但是,在确定的另外两个关键因素(劳动力成本和政府激励措施)方面,美国被认为远远落后于其他地区。

图表4-尽管在三个晶圆厂选址标准中得分很高,但美国在建立晶圆厂的方面没有经济竞争力
资料来源:BCG对SIA成员的调查,问题C2:选择晶圆厂位置最重要的决定性标准是什么?
意:图表未显示受访者未认定为“重要”的其他因素。

晶圆厂选址五大标准的排名对比

资料来源:SIA成员调查数据,问题G1:请为您在晶圆厂的每个关键决策因素对以下国家/地区评分(N = 6)。吸引力指标量化为1-5:5 =高度吸引人,1 =完全没有吸引力。


的确,美国目前不是半导体制造的具有成本竞争力的地区。因为半导体晶圆厂需要大量投资。实际上,2019年整个行业的资本支出与收入之比超过20%,半导体行业与电力和公用事业在整个经济中是资本最密集的部门 7

为了量化美国与其他地区之间的成本差异,我们对三种代表性类型的晶圆厂在十年内的总拥有成本(TCO) 8 进行了基准测试,以阐明将于2020年至2030年建立的新产能 9 (参见图5。)

图表5-用于衡量不同地点总拥有成本的三类代表性晶圆厂
资料来源:SIA;BCG分析。

如图表6所示,包括土地,建筑,和设备在内,一个标准容量的先进半导体工厂大约需要50亿美元(用于先进的模拟工厂)和200亿美元(用于高级逻辑系统和存储器工厂)的资本支出。这大大高于下一代航空母舰(130亿美元)或新核电站(40亿至80亿美元)的估算成本。除了前期资本支出,我们还计算出每年的现金运营支出(人工,公用事业等)约为6亿至20亿美元。因此,在不考虑政府激励措施的情况下,一个新晶圆厂的TCO总额在十年内将达到110亿至150亿美元(高级模拟)和300亿至400亿美元(用于高级逻辑系统或内存)。

考虑到这些成本,政府提供的激励措施对于需要支持的投资方至关重要,并且这种激励措施已成为新晶圆厂投资业务案例的常规部分。政府激励措施通常会减少土地,建筑和设备上的前期资本支出,但也可以扩展到经常性运营支出,例如人工成本。总体而言,根据国家/地区的不同,我们估计政府的激励措施可以抵消新工厂总TCO的15%至40%(扣除激励措施之前)。

图表6-政府激励措施对晶圆厂成本有重大影响
资料来源:BCG分析。

TCO包括资本支出(前期土地,建筑和设备)加上十年的运营支出(人工,公用事业,材料,税金)。
平均值是被分析国家或地区(美国,日本,韩国,中国台湾地区,中国大陆,新加坡和德国)的估计值。

对于所考虑的每种类型的晶圆厂,我们已经分析了不同国家的前期资本支出,年度运营成本和政府激励措施。根据我们的分析,在所有三种类型的晶圆厂中,美国的晶圆厂的总拥有成本比中国台湾地区或新加坡的同等晶圆厂高约25%至30%。(请参见图表7)中国除了结构上较低的工资外,还提供了非常高的政府激励措施,这看起来甚至是更具成本竞争力。在美国,晶圆厂总拥有成本比中国大约高50%,甚至不算中国通过获得低于资本成本的信贷和股权所提供的融资成本的额外优势,经济合作组织(OECD)最近的一项研究运营与发展(OECD)表明这一点非常重要。 10

图表7-美国工厂的总拥有成本比其他地区高25%–50%
资料来源:BCG分析。

1.TCO包括资本支出(前期土地,建筑和设备)加上十年的运营支出(人工,公用事业,材料,税金)。
2.那些选择进入中国进行技术共享的跨国公司可以享受更广泛的激励措施,包括具有优惠条件的设备回租。

以下因素解释了TCO的显著差距:

政府激励是主要因素 美国的激励政策名列榜尾,远远低于拥有大型半导体制造基地的亚洲国家和地区。(见表8)根据晶圆厂类型和有关国家和地区的情况,这些激励措施占其他国家或地区相对于美国的成本优势的40%~70%。在某些情况下,激励措施优先考虑国家半导体制造龙头企业,因此有助于支持国内半导体产业。但在很多情况下,跨国公司也可以享受到这些优惠政策。在某些情况下,美国在税收上具有竞争力,因为美国的有效税率远低于名义企业税率,而且在某些地方还大幅降低了州税和地方税。然而,这些州政府和地方政府的激励措施远远低于其他国家政府提供的补助金和直接现金激励措施。

表8:各地政府激励措施的比较
资料来源:BCG分析。


注: 激励措施是针对前十年的运营。表中所列国家还包括100%的设备进口成本减免和5%的研发项目注销和延期;称不上是详尽无遗。

1基于当前激励措施和最近协议的最佳方案。

2 不包括中国。

3中国大陆。

4 有效税率与一般激励措施分开考虑,并基于现行法规。


•要素成本的天然劣势。 美国和其他地区在TCO方面的差异大约有15%~40%,这主要是由于劳动力和公用事业成本方面的结构性劣势造成的。美国制造业的工资中位数高于其他国家,美国用于晶圆厂建设和运营的劳动力成本比新加坡和中国台湾高40%,是中国大陆的两倍。美国和其他国家之间的公用事业成本差异不太显著,但仍比中国大陆高出近25%。

•资本支出。 资本支出占美国TCO劣势的15%~20%。一家新工厂的资本支出中,约有一半用于由一小部分高度专业化的全球供应商提供的制造设备,因此各地区之间的情况预计将是相似的。建设成本占资本支出的20%~40%,差异较大。

此外,一些国家还通过在晶圆厂周边建设配套基础设施,进一步促进本国半导体产业生态系统的发展,而半导体生产商无需为此支付任何费用。中国在这方面提供的福利特别全面,通常包括住房、电信、公用事业和物流基础设施。 11 同样,其他亚洲国家和地区,如中国台湾、新加坡和韩国,也提供基础设施支持,通常是经济特区和科技园的方式。例如,在中国台湾,除了提供土地、电力和水之外,科技园也为其他供应链公司提供空间,让他们融入更大的制造业生态系统。同样,韩国政府的合作范围不仅限于公用事业和基础设施,还包括确定并提供便利的地点,简化或加快程序,并放松监管。

改变未来十年发展轨迹的机会


鉴于半导体作为技术进步推动者的战略性质,扩大国内制造业对美国半导体产业极其重要,这对提升美国整体经济竞争力和国家安全至关重要。

预计未来十年,全球对半导体的需求将以累计年均5%的速度增长,其驱动力来自于新技术的大规模应用,包括人工智能、物联网、边缘计算、5G,以及电动汽车和越来越多的自动驾驶汽车。预计到2030年,制造业产能将在现有基础上增加56%,即约新增1000万wpm。截至2020年6月,在2020年~2030年全球新增的这些产能中,约有50%尚未开发或规划。(见表9)这一“空白地带”,即新增产能需求中可解决的部分,为美国提供了一个机会,可以使美国在未来新增产能中获得更高的份额,超过已经在开发或规划阶段实现的6%。

按发展状况分列的2020年~2030年全球产能预计增量(M wpm)。

表9:全球产能的强劲增长为我们带来了增长机会
资料来源:BCG基于SEMI、VLSI和Gartner的市场预测做出的分析;SIA成员的意见;BCG项目经验。

1 “开发中”包括“破土动工”和“生产”之间的任何状态,以及“计划或宣布”(口头或公开确认建设意向)。
2 为满足2030年的预计需求,预计需要增加的产能,但没有任何公司或国家的具体公告。
3分立、模拟和光电子器件。

要意识到这一市场机遇,就需要让美国晶圆厂的TCO更接近其他国家,从而使美国成为对半导体制造业更具吸引力的国家。由于美国在其他对晶圆厂选址很重要的标准方面具有明显的优势——例如与现有版图和生态系统其余部分的协同效应,获得熟练人才储备的机会,以及知识产权保护——因此吸引半导体公司在美国建设更大比例的新产能可能不需要总成本相同。此外,不断变化的地缘政治背景也使制造业的地理分布更加多样化,从而对美国和外国半导体公司更具吸引力。

根据我们的分析,要使新的美国晶圆厂的经济效益更具吸引力,就必须缩小政府激励措施的差距,因为政府激励措施直接导致了美国较高的TCO的40%~70%。新的政府激励措施也可能有助于抵消我们看到的美国在建筑和运营成本方面的结构性劣势。

为了评估当前美国在全球制造能力中所占份额的潜在变化,我们开发了一个分析模型,该模型按产品类型和国家对全球新增总产能进行了细分。然后,我们使用我们对各国不同晶圆厂经济状况的估计,根据TCO创建了一个“绩效排序”。鉴于美国在晶圆厂选址的其他关键选择标准方面的优势,我们假设美国晶圆厂的TCO需要从目前比中国台湾、新加坡或韩国高25%~30%的水平降至仅高5%~10%的水平,而不是总成本相同,才能使美国成为一个有吸引力的新晶圆厂选址地。

为实现这一目标,美国政府必须制定新的激励计划。我们将这一新激励计划定义为具有固定总额的基金(例如,补助金、税收抵免计划,或者两者兼有),可以用于美国2021年~2030年期间的新增产能。我们假设现有的美国州和地方激励措施保持不变,并适用于在美国建设的任何新增产能(即,它们是基于“每座工厂”设置的,而不是以给定的总额为上限)。

美国能够吸引多少新的全球产能取决于美国新的激励计划的规模。我们对现状和两种可能的美国额外激励方案进行了模拟。表10显示了每个场景的预期结果。

·现状。 我们假设,在现有激励措施不变的情况下,可以看到美国在已经开发的项目中所占份额为6%,这是一个很好的指标,可以说明美国能够吸引多少新增产能。这将低于过去十年美国在全球新增产能中10%的份额。因此,美国在全球制造业中的份额将从2020年的12%进一步下降到2030年的10%。

·情景1——新增200亿美元政府激励计划。 根据我们的模型,我们预计美国将吸引14家新晶圆厂,比目前多5家,占据新增产能的14%。美国将成为建设新产能的第三大地点,仅次于中国大陆和台湾。因此,到2030年,美国将能够维持目前占全球产能12%的份额,相比于按现状预测要少损失2%。

·情景2——新增500亿美元政府激励计划。 根据我们的模型,这样的计划可能会使美国成为中国以外新半导体产能的首选目的地。我们估计,美国将能够吸引总共19座晶圆厂,比目前多10座。这占未来10年进入市场的新产能的24%。较2010年~2020年的10%和目前的6%有大幅提升。这将导致美国在全球产能中的份额从2020年的12%增加到2030年的13%~14%,比按照现状预测的10%份额有了很大的提高。

表10:新激励计划对美国制造业地位的潜在影响
来源:超大规模集成电路研究;SEMI 2020年第二季度更新;BCG分析。

1假设适用于美国未来10年新增的产能。

2为了便于比较,假设晶圆厂规模为75000 wpm,与2020年~2030年预测中使用的晶圆厂平均规模一致。根据SEMI的数据,2010年~2020年美国实际建造的晶圆厂数量为19座(不包括实验性和非常小的晶圆厂,平均规模约为40000 wpm。

在我们的模型中,我们假设新的额外激励措施只适用于在现状情况下建设的新增产能(即那些“否则不会在美国建设的产能”)。在实践中,这意味着只有某些采用先进技术的晶圆厂才有资格享受新的激励措施。

新的政府激励措施将把美国变成一个具有经济竞争力的、对新晶圆厂有吸引力的地方。这些潜在的激励措施将标志着一个真正的拐点,并将扭转过去30年来美国份额持续下降的历史趋势。美国将重新成为一个具有竞争力的半导体制造业基地,在2030年以后的几十年里,美国将处于有利地位,继续加大参与全球产能扩张的力度。

此外,新的政府激励计划将推动美国制造业产能的扩张,这将为美国技术的竞争力、供应链弹性和国家安全带来显著好处。在500亿美元的激励计划下,未来十年美国建造的晶圆厂数量可能会从按现状推算的仅有9家跃升至19家。这些总部设在美国的新晶圆厂将带来最先进的制造技术和足够的产能,以满足美国国防和航空航天工业的半导体需求。此外,我们估计,这19家新晶圆厂可以创造约7万个直接就业机会,显著增加美国熟练半导体制造技术人员的人才储备,并加强美国在先进制造工艺技术方面的能力。

最后,这些政府激励措施,以及美国新产能的建设,不会扭曲全球半导体市场。这样的激励措施是非歧视性的,可用于公司提出的新的增量项目。这种性质的计划并不旨在通过政府对产能或制造企业的所有权来挑选赢家或引导市场结果。此外,潜在的新晶圆厂的商业可行性还得到了一个事实的支持,即美国也已经具备了所有关键的推动因素:半导体制造技术、人才、配套基础设施、贯穿价值链的蓬勃发展的半导体生态系统,以及全球市场准入。这最大限度地降低了造成全球产能过剩的风险,而全球产能过剩显然不符合美国半导体产业的利益。


扭转美国半导体制造业的颓势


半导体产业在技术领先和国家安全方面的战略性质,引发了人们对过去30年美国在全球半导体制造产能中所占份额持续下降的质疑。美国和中国之间持续的地缘政治摩擦加剧了这种担忧。目前,全球75%的半导体产能都集中在东亚,中国正在积极投资,力争在2030年成为全球最大的制造强国。

鉴于2020年至2030年全球产能预计将强劲增长,以满足半导体需求的增长,未来十年为美国提供了一个止跌甚至可能扩大制造份额的市场机会。在选择工厂所在地的一些关键标准上,美国已经具备相对优势,如与现有版图和生态系统的协同效应、技术人才、知识产权保护等,但在成本上却没有竞争力。虽然本报告的目的不是提供政策建议,但我们的分析表明,扩大目前有限的州级政府激励措施,并在十年内制定一个新的目标为200亿~500亿美元的联邦计划,可以使美国的激励措施与台湾、韩国或新加坡的激励措施相一致,并重新确立美国是先进半导体制造的最有吸引力的国家的地位。

不过,扭转历史趋势、扩大美国半导体制造业版图的窗口正在迅速关闭。首先,未来10年内满足全球需求所需的新产能有50%已经在开发中,因此很可能已经无法染指。此外,目前的制造强国或地区——特别是中国台湾和韩国,也包括中国大陆和正在崛起的新加坡和以色列等越来越多规模较小的地方——受益于重要的集群效应,这种效应自然有利于在现有制造基地建设新的产能,形成了一个良性循环,使得像美国这样版图日益萎缩的国家越来越难以维持其全球份额。

值得注意的是,尽管为了扩大美国在制造业中的份额,政府为美国晶圆厂创造公平的竞争环境是必要的,但对于繁荣的半导体制造业,还有其他重要的结构促进因素,政府的支持可能是有益的。材料和制造科学的基础研究是创新的基础,历史证明,政府的支持在这个领域是有效的。同样,政府鼓励国内制造业的另一个重要方式是支持培训,以确保美国拥有强大的人才储备,包括生产工程师、能够使用高度复杂的计算机控制设备的操作员,以及熟练的技术人员。

最后,虽然美国在制造业中的地位吸引了政策制定者的强烈兴趣,但美国半导体行业的实力还需要继续致力于保持美国的研发领先地位,并确保进入全球市场。一个充分融入全球技术供应链的强大的美国半导体行业,对于进行数字转型和开创人工智能新时代至关重要。与过去10年的移动革命一样,这种突破的巨大好处将惠及所有国家的消费者和企业,而不仅仅是美国。

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本文由“壹伴编辑器”提供技术支持

注释:

1.这包括位于美国境内的所有晶圆厂,即总部位于美国的公司的所属工厂(包括美国公司和外国公司)

2.参考莱文森引用的“联合国国民账户”数据,《国际视野中的制造业》,国会研究服务,2018年2月。

3.基于2020年6月对从事制造活动的半导体行业协会成员公司的BCG调查。

4.参见Fuchs和Kirchain,“离岸制造对光电子行业技术竞争力的影响,”管理科学,2010年12月,和Branstetter等人,“离岸制造是否会损害母国的创新?来自中国台湾地区和中国大陆的证据”,工作文件,2017年10月。

5.有关半导体行业这些新技术前沿的最新讨论,请参见Shalf,“超越摩尔定律的计算的未来”,皇家学会A的《哲学交易》,2020年1月。

6.参见2020年BCG报告《限制与中国的贸易为何会终止美国在半导体领域的领导地位》中的“实现美国半导体领导力的良性循环”。

7.根据Gartner的数据,半导体资本密度是根据资本总支出计算的,该数据来源于2019年全球设计,IDM,代工厂和OSAT中68家最大的半导体公司在2019年全球半导体市场总规模报告。截至2020年1月,其他行业的数据均来自Damodaran在线数据库(纽约大学斯特恩商学院)。

8.总体拥有成本的计算方法是:十年期间的资本支出加上现金运营支出减去激励。

9.用于分析的这三种特定类型的先进晶圆厂是代表性的例子,但它们并不能说明所有未来十年将要建立的新产能。预计许多其他半导体产品线,例如DRAM存储器,绝缘栅双极晶体管,图像传感器或射频滤波器,将在2020年至2030年之间经历显著的需求增长,并且还需要额外的制造能力。

10.参见“经济合作与发展组织(OECD),2019年”,“衡量国际市场的扭曲:半导体价值链”。

11.参见《南华早报》,2017年8月12日,《中国的创新实力不在某谷,而在许多枢纽》,以及《衡量国际市场的扭曲:半导体价值链》,经合组织,2019年


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