行业分析｜半导体供应链新兴的韧性
2024-05-2700:00:00
波士顿咨询公司（BCG: Boston Consulting Group）与美国半导体产业协会（SIA: Semiconductor Industry Association）在2024年5月联合发布了一份报告。报告将“韧性”广义地定义为供应链的地理多样化，报告指出未来几年美国和全球半导体供应链的弹性将显著改善。
此文章对报告主要内容进行了整理，部分内容有所删减。
1. 摘 要
全球半导体供应链实力与脆弱性兼具。供应链全球化相比完全本地化能够降低35%-65%的成本，从而增强下游产品和服务的采用。但全球供应链容易受到单个环节地理集中的影响，疫情、自然灾害、材料短缺或冲突等干扰也可能会严重影响全球芯片供应链。
各个政府和公司正在采取行动以增强半导体供应链韧性。美国签署芯片法案，欧盟发布《欧洲芯片法案()，中国大陆启动集成电路产业投资基金第三期，台湾、韩国、日本、印度等国也出台了各种激励政策或扩大了现有的激励政策。
未来，晶圆制造将变得更具韧性，新市场和创新技术可以支持组装、测试和封装（ATP：Assembly, Testing, Packaging）的韧性，供应链的其他部分也在实现更好的平衡。
强大的全球人才储备、投资规模和开放性对于增强韧性至关重要。政府激励措施应着重于促进有针对性、分散的、市场导向的投资。对供应链韧性的持续支持是必需的。
2. 政策激励的增长
半导体公司在做出投资决策时考虑了许多因素，包括整体商业环境、供应网络、场地可用性、基础设施和劳动力，但一个重要的总体因素是政府政策。制定得当和持久的激励政策，以及有利的监管环境和有效的人才发展倡议，也显示了政府对行业长期成功的投入。对于个体公司来说，有效的政策可以提高建设和运营设施的成本效率。
自BCG在2021年4月的报告中以来，全球各国政府已经做出了大量努力，增加对半导体行业的支持（见图表1）。
图表1 半导体供应链主要地区政府激励政策
注释：
① 拨款390亿美金用于制造；132亿美金用于研发与人力开发
② 欧洲共同利益重要项目Important Projects of Common European Interest (IPCEI)
③ 包括自2020年以来宣布、开始及完成的晶圆和封测厂项目
④ 25%税收抵免保证7年间每年抵免22.5亿美元
⑤ 可能为不完全统计
3. 半导体供应链的韧性
全球半导体供应链是高度专业化的，不同地区在不同领域具有优势。
图表2 2022年全球半导体产业增值
地区间的专业化是由供应链的全球化性质带来的，这使得每家专业化公司都能够进入全球市场。但它也在地理集中方面产生了脆弱性。展望未来，预计会出现显著的地理多样化，主要集中在两个方面：（1）晶圆制造，尤其是在先进逻辑方面；（2）封装测试，在中国大陆和台湾之外的地区进行多样化，将为新市场带来实质性收益。由于成本压力，封测厂不太可能设在美国，但某些先进封装设施可能会设在新的晶圆制造地点附近。在较小程度上，BCG还预计设计和材料方面将实现更大的多样化，因为市场领导者在全球范围内寻找人才，供应商也会跟随新的晶圆制造能力到达不同地区。在设备以及EDA和核心IP方面，由于当前专业化程度和供应商集中度较高，并且与晶圆制造厂共同定位的必要性较小，实现有意义的多样化将是具有挑战性的。
图表3 2022年供应链环节分布
下面针对供应链的各个环节深入探讨这些趋势。
3.1 晶圆制造
晶圆制造对供应链其他部分的投资有“牵引”效应。鉴于项目上线所需的资本需求和大量的前期时间，到目前为止，政府和行业的努力主要集中在晶圆制造上。预计2024年至2032年间，私有资本在晶圆制造方面的投资将达到约2.3万亿美元。自BCG上一份报告以来宣布的100多个重大半导体制造生态系统项目分布广泛——不仅遍布全球，而且涉及到每个主要地区内的新位置。
图表4 自2020后宣布的重大晶圆厂和封装厂投资分布
预计在2024年至2032年间，各个地区之间将有重大投资流动。
图表5 2024-2032期间从总部至项目地点的投资流动
注释：X轴为资金目的地，Y轴为公司总部所在地区。
先进逻辑当前包括10纳米以下的工艺。预计到2030年，“领先技术”容量的定义将包括3纳米以下的工艺。由于数据中心、网络设备、个人电脑、智能手机、具有机器学习和人工智能功能的智能“边缘”设备以及汽车高级驾驶辅助系统等应用的推动，先进逻辑将吸引更大比例的投资。实际上，近70%的资本支出将用于生产10纳米以下芯片，因为它们的生产成本要明显较高。这种趋势意味着权衡。在领先技术方面大量投资可以使一个地区在创新的最前沿竞争，但在每月晶圆起始数方面可能不会完全体现；另一方面，投资传统工艺可以让一个地区更快地实现价值和就业机会，但可能在需求固定或减弱的领域有产能过剩的风险。
先进逻辑的投资模式已经在全球范围内更加分散，台湾和韩国公司在美国、欧洲和日本的投资显著增加。到2032年，先进逻辑容量将会发生转变——从2022年几乎100%分布在韩国和台湾，到2032年超过40%将分布在这些地区之外。2022年，美国没有生产任何先进逻辑芯片。到2032年，美国将生产近30%的所有10纳米以下工艺的逻辑芯片。此外，当预计的晶圆厂投产时，欧洲和日本也将承载约12%的10纳米工艺以下制程。
图表6 全球晶圆制造产能技术种类及地区分布，2022年（上）和2032年预测（下）
注释：DAO（Discretes, Analog, Optoelectronics & sensors）离散、模拟、光电子
各公司通过这些具体、战略性和有针对性的举措，改善了行业在更“平均”的全球产能份额上的韧性。
图表7 全球200mm以上商业晶圆厂1990-2032年产能分布（预测）
美国的产能增长率将达到203%，高于其他地区，远远超过了前十年的增长速度。以每月晶圆产能数量（300毫米等效）来衡量，这意味着从2022年的112万片产能增加到2032年的339万片（增长203%）。
图表8 2022-2032（预测）各地区半导体产能增量
3.2 设计、核心IP、EDA
设计、核心IP和电子设计自动化（EDA）是供应链中研发密集型、非制造型的部分。在所有设计企业（fabless和IDM）中，总部位于美国的公司占据了51%的设计市场份额。美国也是EDA软件领域的领先者所在地，英国和美国是IP领域的领先者所在地。
在这些人才驱动型的供应链部分，公司在雇佣、定位和培训研发和工程人才方面正在实现多样化。根据美国商务部工业与安全局（BIS）2023年进行的一项调查，受调查公司将欧洲、中国大陆和印度列为其设计活动的主要非美国地区。2022年11月BCG-SIA关于半导体设计的报告还发现，设计企业分布在全球各地，中国大陆和印度是美国之外拥有最多半导体设计工程师的地区。
图表9 左：设计活动地区分布 右：设计工程师地区分布
中国大陆政府对设计和EDA活动的支持也可能重塑行业细分市场，并对美国的设计和EDA领导地位构成挑战。国家集成电路基金一期和二期向无厂设计公司拨款数十亿美元，国家集成电路基金三期也有望如此。中国大陆现在有超过3000家无厂设计公司，年收入增长率达到两位数。中国大陆自主设计的芯片主要集中在消费电子、工业控制系统和智能设备芯片上，但在先进的CPU、GPU和FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）以及相应的高端服务器和计算机电源管理方面竞争力较弱。尽管如此，中国大陆的fabless领域可能会在未来十年实现巩固和进步。中国大陆的各个制造商开始建立无厂设计部门，能够设计自己的芯片——例如小米是一家领先的移动设备、家用设备和电动汽车生产商。此外，国家集成电路基金的拨款特别关注GPU和FPGA，并支持中国大陆的一些重大国家半导体项目。对于美国在EDA领域的领导地位不应被视为理所当然。在2018年至2023年期间，中国大陆领先的EDA软件供应商华大九天的营收增长了六倍。
3.3 设备
价值1100亿美元的半导体设备市场涵盖了50多种专业设备，但在某些领域存在着显著的集中度。三个领域光刻、沉积和材料去除与清洗占市场的70%，每个领域都由少数几家供应商主导，一个欧洲公司占据了87%的光刻市场份额。在沉积和材料去除与清洗方面，三家公司占据了市场的70%至80%，其中两家总部位于美国，一家总部位于日本。
尽管研发密集型带来了新进入者的壁垒，但当前的市场领导者正在对其研发和培训中心进行多样化的地理布局，这将增强韧性。前15家设备供应商在17个国家拥有制造设施。这些还包括新的培训中心，以增加其本土地区之外的人才储备。
此外，中国大陆建设设备产能并最终实现自给自足的努力也引人注目。中国大陆目前占全球设备支出的20%和全球设备进口的18%。美国、日本和荷兰的出口管制提高了开发国产替代方案的紧迫性。在国家支持下，中国国内设备公司取得了进展；据报道，至少有五家中国制造商正在沉积领域进行大规模生产；上海微电子已经制造了光刻的示范设备；北方华创和中微半导体已进入更大节点的蚀刻市场。
3.4 材料
价值640亿美元的半导体材料市场包括用于供应链前端（400亿美元）和后端（ATP）（240亿美元）的化学品和材料。硅晶圆和光刻胶占前端材料总市场的约一半（195亿美元），但其他子类别，如气体、湿法化学品、CMP研磨液和溅射靶材，也对制造过程的各个步骤至关重要。同样，基板和引线框架占后端市场约一半（128亿美元）；其他关键子类别包括键合线、封装树脂、陶瓷封装和晶粒连接材料。
大多数领先的材料公司总部设在日本、美国和欧盟。在前端和后端材料市场的多个细分市场中，日本至少有三家领先供应商。尽管如此，其全球生产布局正在扩大，以适应新的晶圆厂产能。
在所有材料细分市场中，靠近晶圆厂的共同定位趋势并不一致。生产低产量、高价值、技术先进的材料，如EUV光刻胶，需要权衡知识产权泄露的风险以及确保远离主要生产基地的高效、高质量生产的难度。另一方面，对于生产知识被广泛分散，并且运输成本较高的材料来说，靠近晶圆厂的共同定位具有更大的吸引力。例如，较旧一代的光刻胶、纯化的直链化学品如氢氟酸以及使本地现场生产更划算的大批量气体。
展望未来，需要进一步努力来提高韧性。美国商务部工业与安全局于2023年12月发布的一项调查发现，行业受访者“对三类材料的国内来源表示了重大关注：晶圆、气体和湿法化学品。后疫情时代的芯片短缺问题还凸显了将芯片连接到电路板的封装基板相关的采购挑战。此外，包括镓、稀土和许多其他关键矿产在内的某些原材料仍然主要来自单一地区。有些供应商通过从旧设备中回收来获取其中一些关键材料，但这些材料的绝大部分采矿和精炼工作仍然在中国大陆进行。
3.5 装配、测试、封装
950亿美元的封测市场目前集中在东北亚地区。韩国拥有与现有晶圆厂相邻的重要后端产能。更重要的是，中国大陆和台湾共同拥有全球近60%的封测产能，其中包括IDM封测设施和OSATs（Outsourced Semiconductor Assembly and Testing，外包封测）。自2020年以来宣布的36个封测设施中，有25个预计将设在中国大陆和台湾（见图表12）。由于较低的建设成本和熟练劳动力成本，这种模式很可能在近来持续存在。
图表12 2020-2023年各地区新建封测厂
从长期来看，随着持续的政策支持和外国投资，预计封测产能将向其他地区转移，包括拉美洲、欧洲和东南亚较不发达地区，从而提高韧性。东南亚已经是重要的封测活动地区，占全球总封测产能的约20%，其中马来西亚占据该地区最大份额。BCG预测这些新兴市场的封测产能将大幅增加，从2022年的全球产能的20%增长到2032年的27%，主要受东南亚的推动。
美国仅占全球封测产能的一小部分。传统封装占950亿美元封测市场中的510亿，由于工作的劳动密集性和低利润，这些工作集中在发展中国家。美国可以通过在附近的低成本地区扩大封测产能，并在全球实现更加均衡的封测设施布局，从而提高韧性。
尽管如此，在占据了封测市场近一半份额的先进封装领域，技术突破可能会为像美国这样的高成本地区开辟更大的角色。一个关键的创新是chiplet的异构集成。
为了加强美国半导体供应链，美国芯片法案的目标之一是发展美国国内的先进封装生态系统。芯片法案的国家先进封装制造计划(NAPMP: National Advanced Packaging Manufacturing Program)还将为先进封装研发提供30亿美元的资金支持。
注释：左图为2022年-2032年（预测）全球封测产能分布，右图为除供应链主要地区（美国、日本、韩国、中国大陆、台湾、欧洲）外其他地区2022年-2032年（预测）封测产能
4. 展望——增强韧性的途径
4.1 对韧性投资的持续支持
借鉴最近激励政策的成功，政策制定者可以继续展示对供应链韧性的投入。
公司和政府可以对供应链韧性采取长期的、战略性的观点。半导体行业容易受到周期性影响。尽管周期发生在需求稳步增长的背景下，但资产利用率降低可能会损害资本密集型晶圆制造单位的经济效益，这很快会反映在利润的减少上。当周期性下滑发生时，关注较短期股票估值的行业分析师可能会质疑市场上有多少“剩余”，以及激励政策是否在驱使行业建立这种过剩。复杂的产品流动和不清晰的需求信号可能会使估计“真正剩余”和复苏时机变得困难。在这些时刻保持“坚持到底”至关重要。在一个像依赖能源一样严重依赖芯片的世界中，潜在的“黑天鹅”事件的影响——比如另一次全球疫情——将比“剩余”的近期外部性问题严重得多。自信的领导和沟通无论对公司还是政府都至关重要。
4.2 防范供需失衡
在由于未来十年将投资超过2万亿美元的晶圆厂而韧性增强的背景下，供应链的某些领域存在供需失衡的风险。一个潜在的关注点是逻辑电路在28纳米或更老的工艺节点。当前晶圆厂建设的轨迹使得这种产能远远超过未来的需求，其中大部分产能位于中国大陆的大型晶圆厂。如果没有某种轨迹上的改变，由于高度利用率驱动的晶圆厂经济可能会带来晶圆价格大幅降低的压力，这可能会导致fabless公司重新考虑工艺技术的选择决策。
4.3 供应链中的新兴地区
随着全球晶圆厂产能和投资的势头增强，后端制造方面的不足，尤其是在封测方面，变得越来越明显。新兴市场进入半导体生态系统为中长期解决这些薄弱环节提供了机会。特别是东南亚可以扮演更加重要的角色。几十年来，马来西亚吸引了大量的封测活动投资，形成了一个繁荣的生态系统。现在相对较新的越南也吸引了来自英特尔、Amkor和其他来自各地公司的投资，并预计到2032年将把其全球封测产能份额从不到1%增加到9%。在公司面临人才招聘挑战的同时，东南亚有望将具有高中后学历的劳动年龄人口数量在2030年增加到6500万，而2015年为3700万。
新兴市场能否充分发挥吸引投资的潜力将取决于许多因素，例如获得技能娴熟、成本竞争力强的劳动力市场；可靠的电力和水利设施供应；具有有限市场壁垒的促进性监管环境；安全和法治；以及具有竞争力的激励计划。政府政策也发挥着作用，尤其在公司全球运营中更加强调环境可持续性、透明度和社会责任的时代。
美国政府也正在加大力度，推动新地区在半导体供应链的其他领域创建更多样化的生态系统。美国国务院负责执行芯片法案下设立5亿美元ITSI（International Technology Safety and Innovation，国际技术安全与创新）基金，以扩大和多样化印度-太平洋地区和西半球的下游产能。一个核心目标是促进“扩大国际组装、测试和封装产能，以实现全球半导体供应链的多样化”。
4.4 人才与移民
半导体的发展依赖于拥有多样化技能的劳动力市场。随着行业的创新周期和研发投资加速，行业需要确保采取措施储备具备操作新型半导体设施所需的专业技能和培训的工程师和操作人员队伍。
SIA与牛津经济研究院合作进行的一项于2023年7月发布的研究发现，美国面临着技术人员、计算机科学家和工程师严重短缺的问题，预计到2030年，半导体行业将缺少6.7万名人员，而在更广泛的美国经济中，这方面的缺口将达到140万人。人才短缺问题也出现在工作人员的上层阶级之外，包括施工工人、技术人员、电工、高级焊工和管道工。没有这些工人，半导体制造能力就无法得到充分建设和运营。
教育是解决这一挑战的核心方案。SIA成员公司正在与各州和其他合作伙伴合作，通过在新建和扩建的半导体晶圆厂附近的社区和技术学院扩大认证培训营、学徒制和其他培训计划，作为帮助缩小技术人员劳动力缺口的有效手段。
欢迎外国人才同样是弥补各地区人才供需差距的关键。对于美国来说，机会在于提高其外国人才的整体保留率。
4.5 公开贸易与合作
全球半导体供应链面临着越来越紧张和复杂的局势。军事冲突可能会扰乱供应链的某些环节，并导致短缺。非军事争端也可能影响全球生产链；例如，2019年，日本和韩国之间的分歧导致日本对韩国实施出口管制，限制了对半导体生产至关重要的材料的出口。洪水、火灾和其他气候相关灾害，以及更频繁的流行病，也构成了“黑天鹅”风险。
与半导体相关产品和服务的全球贸易仍然非常可观。在实际美元计算中，2017年至2022年间，半导体芯片的全球贸易增长了43%。虽然美国在全球出口中的份额已经减少，但中国大陆的份额仍在增加。中国大陆在半导体方面仍然存在巨额贸易逆差，但相对于其总贸易来说，大多数半导体产品的贸易逆差已经减少。
美国与中国大陆之间持续存在的紧张地缘政治局势给参与全球半导体生态系统的公司带来了巨大的不确定性。世界领先的半导体公司——包括晶圆制造、设计、材料和设备——仍然有相当大的一部分收入来自中国大陆。BCG于2020年3月发布的一份报告《限制与中国大陆的贸易可能会终止美国半导体领导地位》一文中发现，与中国大陆完全脱钩的技术将导致美国半导体行业失去当前的销售和创新领导地位，并且该行业将损失1.5万至4万个高技能直接工作岗位。
中国大陆正在努力确保其国内企业能够顺利进入外国市场销售其半导体产品。中国大陆与100多个国家签订了双边投资协议，包括许多欧洲和亚洲国家。与此相比，美国政府在推进其贸易议程方面的积极性较低。
5. 行业的未来需求
在未来十年中，半导体将在全球经济中发挥关键作用，从日常产品到前沿的国防和人工智能。很少有行业像半导体行业一样拥有如此复杂和全球互联的供应链和生态系统。然而，一系列因素——从地缘政治紧张局势和更加复杂的监管环境到劳动力短缺和成本上升——凸显了供应链投资和多样化以提高韧性的必要性。
同样，各国政府已经意识到半导体的战略重要性，并试图通过吸引和激励新的国内或“近岸”投资来减少战略依赖，以实现韧性。但是，韧性并不等同于自给自足，自给自足的成本是巨大的。
半导体行业要持续发展，关键的未来需求包括以下几点：
1. 培养各级人才，从前沿研究到工厂生产线上的技术人员，再到建筑工地上的焊工，通过有效地与教育机构合作、开展职业培训以及为行业定制移民政策实现。
2. 提供持续的政策支持，解决仍然存在的供应链脆弱性问题，为当前政策到期做好准备，并在业务周期中“坚持到底”。
3. 帮助新兴市场创造吸引半导体投资的良好条件，包括持续有针对性的激励政策、职业培训、基础设施建设以及改善监管环境。
4. 维持开放的贸易并多元化终端市场，通过制定定义明确、贯彻执行且与志同道合的伙伴保持一致的贸易措施，以及在地缘政治不确定性面前谈判有效的贸易协议来实现目标。
