全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈評(píng)估：中國(guó)什么水平？

先進(jìn)的計(jì)算機(jī)芯片不僅推動(dòng)了軍事能力的發(fā)展，也推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)和科學(xué)的發(fā)展。這些芯片由復(fù)雜的供應(yīng)鏈生產(chǎn)，而這些供應(yīng)鏈的全球分布和相關(guān)能力在各國(guó)的分布對(duì)未來的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)和國(guó)際安全具有重大影響。然而，供應(yīng)鏈的復(fù)雜性和不透明性使政策制定變得困難。要避免不可預(yù)測(cè)的危害，就需要詳細(xì)了解整個(gè)供應(yīng)鏈以及該供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力。

為了幫助決策者了解全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈，我們將這些供應(yīng)鏈拆分開來看，并識(shí)別出與決策者最相關(guān)的特征，因?yàn)樗鼈円�么提供了技術(shù)控制的潛在目標(biāo)，要么限制了可用的政策。CSET雜志的另一期簡(jiǎn)報(bào)題為“美國(guó)《半導(dǎo)體出口到中國(guó):當(dāng)前的政策和趨勢(shì)》概述了目前如何對(duì)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈實(shí)施出口控制。CSET的配套政策簡(jiǎn)報(bào)題為“確保半導(dǎo)體供應(yīng)鏈”和“中國(guó)在半導(dǎo)體制造設(shè)備方面的進(jìn)步”，根據(jù)本文的分析提供了政策建議，以維持美國(guó)和盟國(guó)的優(yōu)勢(shì)。

美國(guó)及其盟友是全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的領(lǐng)導(dǎo)者，而中國(guó)大陸相對(duì)落后。美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)了全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈總價(jià)值的39%。美國(guó)的盟國(guó)和地區(qū)——日本、歐洲(特別是荷蘭、英國(guó)和德國(guó))、中國(guó)臺(tái)灣和韓國(guó)——總共貢獻(xiàn)了53%。這些國(guó)家和地區(qū)在幾乎每個(gè)供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)上都享有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。雖然中國(guó)大陸的貢獻(xiàn)僅為6%，但它正在許多領(lǐng)域迅速發(fā)展能力，并可能試圖重新配置有利于自己的供應(yīng)鏈，從而影響國(guó)家和國(guó)際安全。

在高層次上，半導(dǎo)體供應(yīng)鏈包括研發(fā)、生產(chǎn)、生產(chǎn)投入和最終使用的分銷。研發(fā)支撐著所有的生產(chǎn)及其投入。半導(dǎo)體生產(chǎn)包括三個(gè)部分:(1)設(shè)計(jì)，(2)制造，(3)封測(cè)(ATP)。生產(chǎn)依賴于供應(yīng)鏈的相關(guān)元素:半導(dǎo)體制造設(shè)備(SME)、材料(包括形成芯片的“晶片”)、設(shè)計(jì)軟件(稱為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，或EDA，軟件)和與芯片設(shè)計(jì)相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(稱為核心IP)。這一過程中價(jià)值最高、技術(shù)最復(fù)雜的部分是生產(chǎn)的設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)，以及供應(yīng)鏈中的SME部分。雖然是在供應(yīng)鏈中占據(jù)很小，但EDA和核心IP也很關(guān)鍵，這需要大量的專業(yè)知識(shí)。而ATP是一種勞動(dòng)密集型行業(yè)，進(jìn)入門檻最低。

美國(guó)及其盟友專注于不同的供應(yīng)鏈領(lǐng)域。美國(guó)在研發(fā)方面占據(jù)主導(dǎo)地位，在各個(gè)領(lǐng)域都擁有強(qiáng)大的能力。然而，它缺乏某些關(guān)鍵子部門的企業(yè)，特別是光刻工具(SME中最昂貴和最復(fù)雜的形式)和最先進(jìn)的芯片工廠(特別是為第三方制造芯片的“代工廠”)。韓國(guó)幾乎參與所有生產(chǎn)步驟，也生產(chǎn)大量的材料和一些半導(dǎo)體設(shè)備。臺(tái)灣在最先進(jìn)的制造和ATP方面占主導(dǎo)地位，并生產(chǎn)一些材料。相比之下，日本專注于半導(dǎo)體設(shè)備和材料，并生產(chǎn)許多較老的技術(shù)半導(dǎo)體。同時(shí)歐洲(特別是荷蘭、英國(guó)和德國(guó))，專門從事半導(dǎo)體設(shè)備(特別是光刻工具)、材料和核心IP。

中國(guó)大陸在一些領(lǐng)域取得了進(jìn)步，但在另一些領(lǐng)域仍存在困難。中國(guó)大陸在封測(cè)、組裝和封裝工具以及原材料方面最強(qiáng)大。在政府的支持下，其在設(shè)計(jì)和制造方面正在取得進(jìn)展。然而，中國(guó)在生產(chǎn)投入方面舉步維艱:半導(dǎo)體設(shè)備、EDA、核心IP和某些用于制造業(yè)的材料。

引言與概述

價(jià)值5000億美元的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈?zhǔn)鞘澜缟献顝?fù)雜的供應(yīng)鏈之一。單個(gè)計(jì)算機(jī)芯片的生產(chǎn)通常需要1000多個(gè)步驟，通過國(guó)際邊界70次或更多次，才能到達(dá)最終客戶手中、為了避免不可預(yù)測(cè)的傷害，政策制定者必須了解各個(gè)行業(yè)的供應(yīng)鏈和國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力。本報(bào)告旨在提供這樣的評(píng)估。雖然它描繪了所有關(guān)鍵國(guó)家和地區(qū)的國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力，但它關(guān)注的是中國(guó)在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。除特別說明外，本報(bào)告的數(shù)據(jù)是截至2019年的數(shù)據(jù)，國(guó)家和地區(qū)的市場(chǎng)份額是基于公司總部，而不是運(yùn)營(yíng)地點(diǎn)。然而，公司總部可能無法充分體現(xiàn)國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)力。例如，許多美國(guó)公司在中國(guó)和其他國(guó)家保留了大量業(yè)務(wù)。

總體來看，供應(yīng)鏈主要包括七個(gè)部分(圖1)。

圖1：半導(dǎo)體供應(yīng)鏈

*注:藍(lán)色:供應(yīng)鏈各個(gè)環(huán)節(jié);紫色:生產(chǎn)的商業(yè)模式

研發(fā)推動(dòng)了供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)。它包括基礎(chǔ)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)前探索性研究和直接推進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)前沿的競(jìng)爭(zhēng)研究。

生產(chǎn)需要三個(gè)主要步驟:設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)(ATP)。這些步驟要么發(fā)生在一個(gè)單獨(dú)的公司——銷售芯片的集成設(shè)備制造商(IDM)——要么發(fā)生在單獨(dú)的公司，沒有晶圓廠的公司設(shè)計(jì)和銷售芯片，交給代工公司來做，從外包的半導(dǎo)體組裝和測(cè)試(OSAT)公司購買封測(cè)服務(wù)。生產(chǎn)需要幾個(gè)其他輔助:材料、半導(dǎo)體制造設(shè)備(SME)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)和核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)。下面是生產(chǎn)步驟的總結(jié)，以及它們?nèi)绾问褂眠@些輔助部分。

設(shè)計(jì)包括規(guī)范、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)以及確認(rèn)和驗(yàn)證。規(guī)范決定了芯片應(yīng)該如何在使用它的系統(tǒng)中操作。邏輯設(shè)計(jì)創(chuàng)建一個(gè)相互連接的電子元件的原理圖模型。物理設(shè)計(jì)將這個(gè)模型轉(zhuǎn)化為電子組件和互連(連接組件的電線)的物理布局。確認(rèn)和驗(yàn)證確�；�于設(shè)計(jì)的芯片能夠按預(yù)期運(yùn)行。EDA是用來設(shè)計(jì)芯片的軟件。

直到20世紀(jì)70年代，芯片中幾乎沒有電子元件，工程師們都是手工繪制設(shè)計(jì)。今天，芯片包括數(shù)十億相互連接的晶體管和其他電子元件。為了解決這些復(fù)雜的元件，芯片設(shè)計(jì)者使用EDA軟件的自動(dòng)設(shè)計(jì)工具。核心IP由設(shè)計(jì)的可重用模塊化部分組成，允許設(shè)計(jì)公司授權(quán)并將其納入設(shè)計(jì)中。

制造依靠半導(dǎo)體設(shè)備和材料將設(shè)計(jì)變成芯片。首先，一個(gè)熔爐形成一個(gè)硅圓柱體(或其他半導(dǎo)體材料)，然后將其切割成圓盤狀晶圓片(圖2中的第一張圖像)。晶圓廠通過兩個(gè)步驟在這些晶圓片上制造芯片:在硅的材料層中形成晶體管和其他電子設(shè)備;以及在硅上面的絕緣層中形成電氣設(shè)備之間的金屬互連。電氣設(shè)備和互連線一起構(gòu)成電路。一個(gè)芯片可能總共包含幾十層。下面是一個(gè)如何形成一個(gè)單層的例子。

首先，“沉積”工具添加一層材料，將形成一個(gè)新的永久層的基礎(chǔ)。然后，一種叫做“光蝕刻”的過程在該層中繪制電路圖案，首先在沉積的材料上涂上一層“光刻膠”。一個(gè)光刻工具讓光通過一個(gè)“光掩膜”——一個(gè)帶有電路圖案的透明板——把圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上。(光罩本身是用光刻工具制作的。)光根據(jù)電路圖案溶解部分光刻膠。

“蝕刻”工具將光刻膠中新創(chuàng)建的圖案雕刻到光刻膠下面的永久層。隨后，光刻膠被移除，蝕刻材料從層中清除。(其他時(shí)候，不是蝕刻，而是用一種叫做“離子注入”的過程將原子嵌入到層中。)然后，完成的層被壓平(這個(gè)過程被稱為“化學(xué)機(jī)械壓平”)，允許添加新的層，然后這個(gè)過程又開始。在整個(gè)制造過程中，“制程控制”工具檢查晶圓及其層，以確保沒有錯(cuò)誤。

組裝、測(cè)試和封裝開始于切割一個(gè)成品晶圓(在制造后以網(wǎng)格模式包含數(shù)十個(gè)晶圓(圖2中的第二個(gè)圖像))到單獨(dú)的晶圓。每個(gè)芯片都安裝在一個(gè)有電線的框架上，該框架將芯片與外部設(shè)備連接起來，并封裝在一個(gè)保護(hù)外殼中。這將產(chǎn)生一個(gè)邊緣有金屬針的深灰色矩形的最終外觀(圖2中的第三個(gè)圖像)。該芯片還將進(jìn)行測(cè)試，以確保其按照預(yù)期運(yùn)行。ATP還需要各種材料。

上面的描述過度簡(jiǎn)化了技術(shù)流程，但是傳達(dá)了涉及的高級(jí)步驟。實(shí)際上，每一個(gè)單獨(dú)的步驟都是非常復(fù)雜的，需要幾個(gè)子步驟。而制造過程的原子精度要求潔凈室沒有可能干擾芯片制造的灰塵顆粒。

最終用途涉及分布集成到芯片的產(chǎn)品——智能手機(jī)、筆記本電腦、服務(wù)器、通信設(shè)備和汽車等。

圖2:芯片制造過程

總部位于六個(gè)國(guó)家和地區(qū)的公司幾乎控制了整個(gè)供應(yīng)鏈。表1給出了CSET對(duì)每個(gè)供應(yīng)鏈段半導(dǎo)體價(jià)值貢獻(xiàn)的估計(jì)(紫色部分)。這些值加起來等于100%。各供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的增加值計(jì)算見附錄A。它還展示了供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的區(qū)域市場(chǎng)份額(綠色)。

表1還提供了每個(gè)地區(qū)對(duì)全球供應(yīng)鏈的總附加值(藍(lán)色部分)。每個(gè)值都是一個(gè)地區(qū)在所有供應(yīng)鏈領(lǐng)域的市場(chǎng)份額的加權(quán)平均值。權(quán)重是每個(gè)部門的增加值加權(quán)。由于缺乏數(shù)據(jù)，表1不包括晶圓以外的fab材料(增加值4.1%)和封裝材料(增加值3.5%)。前者通常由晶圓廠購買;后者由ATP設(shè)施提供。

因此，非晶圓fab材料和封裝材料的價(jià)值分別被納入“fab”和“ATP”中。美國(guó)總體上是世界領(lǐng)先的，而韓國(guó)、日本、中國(guó)臺(tái)灣和歐洲(特別是荷蘭、英國(guó)和德國(guó))在其他先進(jìn)領(lǐng)域擁有世界領(lǐng)先的公司。

表1:按供應(yīng)鏈各部分和公司總部分列的半導(dǎo)體增加值和市場(chǎng)份額

資料來源:CSET計(jì)算，財(cái)務(wù)報(bào)表，WSTS, SIA, SEMI, IC Insights, Yole, VLSI研究

*注:色彩強(qiáng)度與值的大小有關(guān)。

美國(guó)在大多數(shù)領(lǐng)域都很強(qiáng)大(表2)。但是值得注意的例外是如一些fab工具的生產(chǎn)，如光刻設(shè)備和晶圓材料等。美國(guó)也缺乏尖端的純邏輯芯片代工廠。(代工是指為第三方客戶生產(chǎn)芯片的工廠，這與總部位于美國(guó)的英特爾不同，后者的尖端邏輯芯片廠根據(jù)英特爾自己設(shè)計(jì)的芯片生產(chǎn)芯片。)然而，這些能力都是由美國(guó)的盟友主導(dǎo)的。總而言之，美國(guó)及其盟友在供應(yīng)鏈的每一個(gè)環(huán)節(jié)都具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力——簡(jiǎn)而言之，如果加上盟友，表2將變成綠色。

*注:綠色:高能力(具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力);黃色:溫和的能力;

橙色:低功能;紅色:最低限度或沒有能力;粗體:高級(jí)類別;

未加粗的:在高級(jí)類別內(nèi)并列在下面的項(xiàng)目。根據(jù)作者的分析，如下節(jié)所總結(jié)的。

中國(guó)總體上落后，但在某些領(lǐng)域正在進(jìn)步(表3)。中國(guó)在ATP、組裝和封裝工具以及原材料方面表現(xiàn)突出。它在設(shè)計(jì)、制造、CMP工具和一些蝕刻和清潔工具方面有適度和不斷增長(zhǎng)的能力。中國(guó)在其它領(lǐng)域也面臨挑戰(zhàn)，包括多數(shù)半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)。它最大的弱點(diǎn)是EDA，核心IP，一些芯片材料(特別是光刻膠)，領(lǐng)先的邏輯芯片能力，和某些SME。這些SME包括光刻工具(最重要的是，極端紫外線掃描儀和氬氣氟化物浸泡掃描儀)，制程控制工具，測(cè)試工具，原子層蝕刻，晶圓和掩模處理工具，先進(jìn)沉積工具，和一些離子注入器。這些弱點(diǎn)——根據(jù)表3，中國(guó)的能力較低、最小或根本沒有能力——是“瓶頸”�！八鼈兩婕懊绹�(guó)及其盟國(guó)專門生產(chǎn)的先進(jìn)芯片生產(chǎn)所必需的產(chǎn)品。

表3:中國(guó)供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的競(jìng)爭(zhēng)力

*注:綠色:高能力(具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力);黃色:溫和的能力;橙色:低功能;紅色:最低限度或沒有能力;粗體:高級(jí)類別;未加粗的:在高級(jí)類別內(nèi)并列在下面的項(xiàng)目。根據(jù)作者的分析進(jìn)行評(píng)級(jí)，如下節(jié)所總結(jié)。

以下每一節(jié)詳細(xì)介紹了每個(gè)國(guó)家和地區(qū)的國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力(特別是中國(guó))，包括研發(fā)、生產(chǎn)(設(shè)計(jì)、制造和ATP)、SME、EDA、核心IP和材料。(本報(bào)告沒有進(jìn)一步討論半導(dǎo)體的分銷和最終用途。)雖然可以按順序閱讀下面的章節(jié)，但讀者可以分別查看每個(gè)章節(jié)以獲得該部分的概述。

在半導(dǎo)體研發(fā)方面，相比其他國(guó)家，美國(guó)處于決定性的領(lǐng)先地位，并將其輸送到所有其他供應(yīng)鏈部門。半導(dǎo)體研發(fā)工作大部分是由私營(yíng)企業(yè)完成的。

圖3按公司總部分列的半導(dǎo)體行業(yè)研發(fā)情況。從全球來看，半導(dǎo)體行業(yè)在2013年至2018年以每年3.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，2018年的研發(fā)支出為646億美元。2019年，美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)以398億美元的研發(fā)支出遙遙領(lǐng)先，2018年研發(fā)支出排名前10位的半導(dǎo)體公司中有5家是美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)。相比之下，2018年中國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)在半導(dǎo)體研發(fā)上的支出僅為26億美元。圖3中不包括的國(guó)家在半導(dǎo)體行業(yè)研發(fā)中所占的比例很小。行業(yè)研發(fā)主要是私有的，但許多半導(dǎo)體公司與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手合作進(jìn)行研發(fā)。一項(xiàng)針對(duì)12家主要半導(dǎo)體公司的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有近200個(gè)研究合作項(xiàng)目。

圖3：2018年美國(guó)企業(yè)引領(lǐng)半導(dǎo)體行業(yè)研發(fā)

數(shù)據(jù)來源：SIA，SemiWiki

美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的研發(fā)支出占半導(dǎo)體銷售額的比例最高，為16.4%，中國(guó)為8.3%（圖4）。

圖4：2019年，美國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)的研發(fā)投入高于同行

數(shù)據(jù)來源：SIA

美國(guó)、韓國(guó)、日本、中國(guó)臺(tái)灣和荷蘭當(dāng)局在半導(dǎo)體研發(fā)方面只扮演了次要角色。2019年，美國(guó)政府在半導(dǎo)體研發(fā)上投入了60億美元。其中17億美元直接用于半導(dǎo)體行業(yè)，43億美元用于相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域（如工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和物理科學(xué)）。除了直接的研發(fā)資金，許多政府還通過研發(fā)稅收減免或其他資金來補(bǔ)貼半導(dǎo)體公司——低于市場(chǎng)的融資和資本投資和企業(yè)收入的稅收減免——企業(yè)可以將其轉(zhuǎn)向研發(fā)。

相比之下，中國(guó)政府每年對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的補(bǔ)貼約為150億美元。這些補(bǔ)貼在接受補(bǔ)貼的公司收入中所占的比例是遠(yuǎn)高于其他國(guó)家的。然而，中國(guó)的補(bǔ)貼在絕對(duì)值上與許多其他國(guó)家的政府提供的補(bǔ)貼幾乎相當(dāng)，因?yàn)槿�球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司比中國(guó)的半導(dǎo)體公司產(chǎn)生的收入要多得多。此外，中國(guó)的研發(fā)稅收減免只是其總補(bǔ)貼的一小部分，從絕對(duì)值上看，比美國(guó)的研發(fā)稅收減免要小得多。

半導(dǎo)體產(chǎn)品

美國(guó)、韓國(guó)、歐洲、日本、中國(guó)臺(tái)灣和中國(guó)大陸是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、制造、裝配、測(cè)試和封裝的重點(diǎn)國(guó)家和地區(qū)。2019年，半導(dǎo)體擁有4123億美元的銷售額，其中數(shù)字和內(nèi)存芯片占了最大的份額(圖5)。

圖5:2019年半導(dǎo)體市場(chǎng)

來源: WSTS

*注:數(shù)字芯片包括微處理器和微控制器。

半導(dǎo)體生產(chǎn)有兩種商業(yè)模式。在“集成器件制造”（IDM）模型中，同一家公司執(zhí)行所有生產(chǎn)步驟。在“無晶圓廠+代工”（fabless+foundry）模式中，不同的公司執(zhí)行不同的步驟。fabless公司設(shè)計(jì)和銷售芯片，但從代工廠購買制造服務(wù)，從外包的半導(dǎo)體組裝和測(cè)試(OSAT)公司購買組裝、測(cè)試和封裝服務(wù)。IDM通常生產(chǎn)內(nèi)存芯片、模擬芯片、光電子器件、傳感器和分立器件(OSD)。這兩種模式的公司都會(huì)生產(chǎn)邏輯數(shù)字芯片。圖6和圖7顯示了按業(yè)務(wù)模式劃分的芯片銷售和國(guó)家/地區(qū)份額。

來源：SIA, IC Insights, Yole, CSET estimates

以下各小節(jié)分為：設(shè)計(jì)、制造和ATP的區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)力。每個(gè)章節(jié)合并了IDM和在fabless+foundry 模式下運(yùn)營(yíng)的公司的數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)

美國(guó)、韓國(guó)、歐洲、日本、中國(guó)臺(tái)灣和中國(guó)大陸幾乎承擔(dān)了世界上所有的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)。美國(guó)在數(shù)字和模擬芯片方面領(lǐng)先，韓國(guó)在存儲(chǔ)芯片方面領(lǐng)先，歐洲在分立器件方面領(lǐng)先。中國(guó)設(shè)計(jì)了許多數(shù)字芯片——盡管大多數(shù)芯片無法與最先進(jìn)的美國(guó)芯片競(jìng)爭(zhēng)——以及一些分立器件，同時(shí)也開始設(shè)計(jì)內(nèi)存芯片(圖8和表4)(市場(chǎng)份額和規(guī)模是為半導(dǎo)體銷售，其中包括從設(shè)計(jì)以外的步驟增加的價(jià)值。然而，由于同一家公司通常設(shè)計(jì)和銷售一種半導(dǎo)體——即使它經(jīng)常外包制造和ATP——這些市場(chǎng)份額與設(shè)計(jì)活動(dòng)的份額密切相關(guān)。)本節(jié)重點(diǎn)介紹某些高端數(shù)字芯片和最常見的內(nèi)存芯片。

圖8：2019年IC設(shè)計(jì)市場(chǎng)份額（按照類型和地區(qū)劃分）

資料來源：SIA、 IC Insights、TrendForce以及財(cái)務(wù)報(bào)表

*注:中國(guó)在 CPUs、GPUs和FPGA上的份額很小(