4 月 27 日報道，本月早些時候，美國半導體行業(yè)協(xié)會（SIA）與波士頓咨詢集團（BCG）聯(lián)合發(fā)布了一份研究報告，通過 20 多張圖表，詳盡地分析和呈現(xiàn)全球半導體供應(yīng)鏈的分布特征。
這份 53 頁的《在不確定的時代加強全球半導體供應(yīng)鏈》報告提到，在未來 10 年，整個半導體供應(yīng)鏈需投資約 3 萬億美元的研發(fā)和資本支出，半導體公司每年需持續(xù)研發(fā)投入逾 900 億美元，相當于全球半導體銷售額的 20% 左右，以開發(fā)越來越復雜的芯片。
▲2019 年全球各地區(qū)半導體供應(yīng)鏈核心能力分布情況
根據(jù)這份報告，日本、韓國、中國臺灣和中國大陸目前集中了全球大約 75% 的半導體制造產(chǎn)能；如果按照現(xiàn)在的發(fā)展趨勢，中國大陸有望在未來 10 年發(fā)展成全球最大的半導體制造基地。
其分析數(shù)據(jù)顯示，要建設(shè)完全自給自足的半導體供應(yīng)鏈，至少需增加 1 萬億美元左右的前期投入，最終會致使半導體價格整體上漲 35%~65%；假如臺灣晶圓廠永久中斷，至少需要花 3 年、投資 3500 億美元，才能在世界其他地方建設(shè)足夠替代的產(chǎn)能。
此外，報告還展現(xiàn)了全球半導體供應(yīng)鏈研發(fā)及人才現(xiàn)狀。當前在半導體科研領(lǐng)域，中美互為最大的研究合作伙伴，中國每年提交的論文數(shù)和專利數(shù)最多，美國半導體專利平均被引用次數(shù)最高，而許多美國半導體技術(shù)突破均為海外人才貢獻。
▲2019 年全球各地區(qū)晶圓制造能力分布
一、未來 10 年，中國有望成全球最大半導體制造基地
該報告顯示，美國在全球半導體制造產(chǎn)能中的份額已從 1990 年的 37% 降至當前的 12%，如果按目前趨勢發(fā)展下去，這一比例可能降至 6%。
相比之下，未來 10 年，中國有望增加約 40% 的新產(chǎn)能，成為全球最大半導體制造基地。
這背后一大關(guān)鍵因素是經(jīng)濟因素，在美國建設(shè)一個新芯片工廠的 10 年總擁有成本（TCO）大約比亞洲地區(qū)高 25%~50%。
而總擁有成本中約 40-70% 直接歸因于政府激勵措施，目前美國的政府激勵措施比其他地方低得多。
▲各地區(qū)參考晶圓廠 10 年總擁有成本（TCO）預估
該報告認為，美國聯(lián)邦政府對本土半導體制造業(yè)的 500 億美元投資，有望扭轉(zhuǎn)美國芯片產(chǎn)量下降的趨勢，并在未來 10 年在美國建立多達 19 家先進的邏輯、存儲和模擬半導體制造工廠或晶圓廠。
這將直接創(chuàng)造 7 萬個高薪工作崗位，并在整個經(jīng)濟中間接創(chuàng)造大約額外的 35 萬個就業(yè)機會，即總共超過 40 萬個直接和間接就業(yè)機會。
▲2019 年美國半導體消費分布
二、建設(shè)完全自給自足的半導體供應(yīng)鏈，至少需增加前期投資 1 萬億美元
該報告認為，當前沒有一家公司甚至整個國家能實現(xiàn)完全的垂直整合。
半導體供應(yīng)鏈是真正全球化的，2019 年，六大地區(qū)（美國、韓國、日本、中國大陸、中國臺灣、歐洲）對半導體行業(yè)總增加值的貢獻均達到或超過 8%。
▲2019 年各地區(qū)在不同半導體供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的支出及貢獻分布
在全球半導體供應(yīng)鏈中，各地區(qū)展現(xiàn)著不同的優(yōu)勢，并互相依賴。半導體的典型歷程涉及到大多數(shù)這些地區(qū)。
▲示例：一個智能手機應(yīng)用處理器的全球歷程
美國在研發(fā)密集型產(chǎn)業(yè)，如電子設(shè)計自動化（EDA）、核心 IP、芯片設(shè)計和先進制造方面處于領(lǐng)先地位，這得益于其世界一流的大學、龐大的工程人才庫、市場驅(qū)動的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。
東亞地區(qū)（韓國、日本、中國臺灣）在晶圓制造方面優(yōu)勢明顯，有政府激勵措施支持的大規(guī)模資本投資，以及強大的基礎(chǔ)設(shè)施和熟練的勞動力。
中國大陸在裝備、封裝、測試等領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，并正在積極加大投資。
假設(shè)在每個地區(qū)建設(shè)完全自給自足的本地供應(yīng)鏈的假設(shè)替代方案，將需要至少 1 萬億美元（9000 億～1.225 億美元）的增量前期投資，并導致半導體價格整體上漲 35％至 65％，最終導致消費者電子設(shè)備成本上升。
▲實現(xiàn)完全“自給自足”的本地化半導體供應(yīng)鏈需增加的研發(fā)及資本支出
具體來看，按地區(qū)分布，假如要滿足半導體自給自足，美國需進行 3500~4200 億美元的前期投資，中國大陸需進行 1750~2500 億美元的前期投資。
▲實現(xiàn)完全“自給自足”的本地化半導體供應(yīng)鏈，各地區(qū)所需增加的支出成本分布
三、假設(shè)取代臺灣晶圓廠，至少需投資三年、3500 億美元
整個半導體供應(yīng)鏈上有超過 50 個地區(qū)，其中一個地區(qū)擁有超過 65% 的全球市場份額。
▲一個地區(qū)占全球份額的 65% 以上
例如，大約 75％的全球半導體制造能力，以及硅晶片、光刻膠等許多關(guān)鍵材料的供應(yīng)商，均集中在中國大陸及東亞地區(qū)。這些地區(qū)易遭受高地震活動和地緣政治緊張局勢的影響。
另外，全球最先進的半導體生產(chǎn)能力（即 10nm 以下）目前 100% 位于中國臺灣（占 92％）和韓國（占 8％）。
▲一個龐大的全球貿(mào)易流網(wǎng)絡(luò)支持半導體供應(yīng)鏈的地理專業(yè)化
這些地區(qū)存在可能因自然災害、基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)閉或國際沖突而中斷的潛在風險，并可能導致基本芯片供應(yīng)嚴重中斷。
在極端假設(shè)的情況下，如果臺灣代工廠完全中斷一年，臺灣代工廠將失去 420 億美元的收入，這可能會導致全球電子供應(yīng)鏈停擺，乃至影響到不同電子設(shè)備應(yīng)用市場 4900 億美元的收入，從而造成嚴重的全球經(jīng)濟中斷。
如果要使這種假設(shè)的中斷變得永久化，則可能至少需要 3 年時間、3500 億美元的投資，才能在世界其他地方建設(shè)足夠的產(chǎn)能來取代臺灣晶圓廠。
四、美國和中國是全球最大的半導體市場
半導體可分為三類，分別是邏輯（收入占比 42%），內(nèi)存（收入占比 26%），以及離散、模擬和其他（DAO，收入占比 32%）。
在手機領(lǐng)域，模擬半導體占比最高；在消費電子、PC、ICT 基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，邏輯半導體占比偏高；在工業(yè)和汽車應(yīng)用領(lǐng)域，DAO 占比更高。
▲各類半導體銷售額在不同應(yīng)用領(lǐng)域的銷售額分布
其中，采用 10nm 以下先進制程的均為邏輯半導體，而 DAO 在成熟制程產(chǎn)能中占比偏高。
▲2019 年全球各類半導體在不同芯片制程節(jié)點的產(chǎn)能分布
從地理分布來看，有三種不同的方式來衡量半導體需求的來源，一是電子設(shè)備制造商總部所在地，二是設(shè)備制造、組裝地點，三是購買電子設(shè)備的最終用戶所在地。
▲全球半導體需求的地理分布
可以看到，美國和中國是全球最大的半導體市場。
該報告估計，2019 年中國消費者和企業(yè)購買的設(shè)備中包含半導體的價值約占全球半導體收入的 24%。幾乎與美國（25%）持平，高于歐洲（20%）。
由于在大多數(shù)電子設(shè)備類別中，中國國內(nèi)市場的增長將比世界其他地區(qū)平均高出 4%~5%，因此分析師預計，中國在全球半導體消費中所占的份額預計將在未來 5 年繼續(xù)增長。
五、半導體供應(yīng)鏈 7 大環(huán)節(jié)研發(fā) & 資本支出分布
半導體創(chuàng)造和生產(chǎn)所涉及的產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈是非常復雜和全球化的，由研究、設(shè)計、前端制造、后端封測、EDA & 核心 IP、設(shè)備 & 工具、材料等 7 個環(huán)節(jié)所組成的生態(tài)系統(tǒng)來支持。
▲半導體供應(yīng)鏈包含 7 類不同環(huán)節(jié)
該報告估計，2019 年全球半導體產(chǎn)業(yè)研發(fā)投資約為 900 億美元，資本支出約為 1100 億美元，兩個數(shù)字的總和幾乎占同年全球半導體銷售額（4190 億美元）的 50%。
▲2019 年半導體產(chǎn)業(yè)研發(fā)和資本支出情況
1、競爭前研究：占整個行業(yè)研發(fā)支出的 15-20%
從一項新技術(shù)方法在一篇研究論文中被引入，到大規(guī)模商業(yè)制造中，預計平均需 10-15 年的時間。
例如，極紫外線（EUV）技術(shù)是最先進的半導體制造節(jié)點的基礎(chǔ)，從早期的概念演示到在晶圓廠的商業(yè)實現(xiàn)，花了近 40 年的時間。
在大多數(shù)領(lǐng)先國家，基礎(chǔ)研究通常占總研發(fā)投入的 15-20%。例如在美國，基礎(chǔ)研究一直穩(wěn)定在總研發(fā)的 16-19%，中國目前只有約 5-6% 的研發(fā)支出用于基礎(chǔ)研究，但過去 20 年中國一直在縮小競爭前研究和總研發(fā)支出之間的差距。
2、芯片設(shè)計：占整個行業(yè)研發(fā)支出的 65%
芯片設(shè)計是知識技能密集型業(yè)務(wù)，占整個行業(yè)研發(fā)的 65%。專注于芯片設(shè)計的公司，通常會將年收入的 12%~20% 用于研發(fā)。
隨著芯片越來越復雜，開發(fā)成本迅速上升。例如一款旗艦智能手機的最新系統(tǒng)芯片的開發(fā)總成本，可能超過 10 億美元。
而如果衍生品大量重復使用之前的設(shè)計，或者在成熟節(jié)點上制造新的更簡單的芯片，開發(fā)成本僅為 2000 萬至 2 億美元。
3、芯片制造：占整個行業(yè)資本支出的 65%
晶圓制造約占整個行業(yè)資本支出的 65%。專注于半導體制造的公司的資本支出通常相當于其年收入的 30~40%。
一個最先進的、標準產(chǎn)能的半導體工廠需要大約 50 億美元（用于先進模擬晶圓廠）到 200 億美元（用于先進邏輯和存儲晶圓廠）的資本支出。
這比新一代航空母艦（130 億美元）或一座新核電站（40 億～80 億美元）的預估成本要高得多。
根據(jù)特定產(chǎn)品的不同，半導體晶圓的整個制造過程有 400 到 1400 個步驟。制造完成半導體晶圓的平均時間（即周期時間）大約是 12 周，但對于先進工藝，可能需要多達 14-20 周的時間來完成。
▲晶圓制造過程概覽
4、后端封測：占整個行業(yè)資本支出的 13%
專門從事封裝和測試的公司，通常在設(shè)施及設(shè)備上的投資超過其年收入的 15%。
總的來說，該環(huán)節(jié)占 2019 年行業(yè)資本支出總額的 13%，主要集中在中國臺灣和大陸，最近也在東南亞地區(qū)建設(shè)新的設(shè)施。
5、EDA & 核心 IP：占整個行業(yè)研發(fā)支出的 3%
在設(shè)計階段，電子設(shè)計自動化（EDA）公司提供復雜的軟件和服務(wù)來支持半導體設(shè)計。核心 IP 供應(yīng)商提供可重用的組件設(shè)計的授權(quán)許可。
EDA 和核心 IP 供應(yīng)商的研發(fā)投入約占整個行業(yè)研發(fā)支出的 3%，約占其收入的 30 %~40%。
6、設(shè)備 & 工具：占整個行業(yè)研發(fā)支出的 9%
整體來看，半導體設(shè)備制造商供應(yīng)商占 2019 年行業(yè)研發(fā)的 9%，占其收入的 10%~15%。
半導體制造使用 50 多種不同類型的精密晶圓加工和測試設(shè)備，由專業(yè)供應(yīng)商提供，用于制造過程中的每一步。
▲全球主要半導體設(shè)備類型分布
其中光刻工具代表最大的制造廠商資本支出，可以決定芯片晶圓廠生產(chǎn)的先進程度。在 7nm 及以下的芯片制造中，一臺 EUV 機器可耗費 1.5 億美元。
7、材料：占整個行業(yè)資本支出的 6%
從事半導體制造的公司也依賴于專業(yè)的材料供應(yīng)商?？傮w而言，2019 年材料供應(yīng)商貢獻了總資本支出的 6%，占行業(yè)附加值的 5%。
全球領(lǐng)先的硅晶片、光敏電阻或氣體供應(yīng)商的年度資本支出通常占其收入的 13% 至 20%。
半導體制造業(yè)使用多達 300 種不同的材料投入，其中許多也需要先進的技術(shù)來生產(chǎn)。
▲2019 年在前端和后端制造中，關(guān)鍵半導體制造材料的全球銷售情況
六、全球前三通常占各領(lǐng)域總收入的 50%~90%
根據(jù)其集成水平和商業(yè)模式，半導體公司可分為 4 種類型，分別是集成器件制造商（IDM）、無晶圓廠設(shè)計公司（Fabless）、代工廠（Foundry）和外包封測公司（OSAT）。
▲技術(shù)的復雜性和對規(guī)模的需求導致了專注于供應(yīng)鏈特定層次的商業(yè)模式出現(xiàn)
在制造業(yè)，建設(shè)新產(chǎn)能所需的前期投資規(guī)模過大是一個主要障礙。
舉例來說，2015 年至 2019 年，五大晶圓代工廠的年資本支出合計約為 750 億美元，平均每家公司每年 30 億美元，相當于其年收入的 35% 以上。
半導體設(shè)計雖然不需要大量的資本支出，但其高研發(fā)強度也創(chuàng)造了顯著的規(guī)模優(yōu)勢和準入壁壘。2015 年至 2019 年，前 5 大無晶圓廠設(shè)計企業(yè)研發(fā)投入達約 680 億美元，平均每家企業(yè)每年投入 28 億美元，相當于其收入的 22%。
按收入計算，全球 10 家最大的 OSAT 公司中有 9 家的總部位于中國大陸、中國臺灣和新加坡，其中中國大陸和臺灣占全球的 60% 以上。
只有規(guī)模非常大的公司，才能從大規(guī)模投資中獲得令人滿意的回報。這是為什么在半導體供應(yīng)鏈的不同環(huán)節(jié)中，全球排名前三的公司通常占各自所在領(lǐng)域收入的 50%~90%。
七、中美互為最大的研究合作伙伴
半導體行業(yè)的研發(fā)投資中，很大一部分被用于科學突破的基礎(chǔ)研究上，這些投資要比其潛在的商業(yè)應(yīng)用之前很多年。
在這種競爭前合作方面，半導體公司與研究機構(gòu)通常會進行合作，來分攤研究成本和避免重復性工作。
過去 10 年，中國和美國是在半導體領(lǐng)域發(fā)表相關(guān)科技論文最多的兩個國家。
根據(jù)該報告對科學出版物的分析顯示，基礎(chǔ)半導體研究往往涉及跨國界合作，中國和美國互為最大的研究合作伙伴。
中國研究機構(gòu)發(fā)表的與半導體相關(guān)的科學論文中，36% 是與其他國家的研究機構(gòu)共同撰寫的。在美國機構(gòu)的出版物中，60% 是與其他國家的機構(gòu)合作撰寫的，中國是最大的合作伙伴，其次是德國和韓國。
一些最關(guān)鍵的半導體技術(shù)進展得益于幾十年來全球研發(fā)合作的結(jié)果。比如當前最先進的 EUV 光刻設(shè)備包含約 10 萬個部件，由遍布全球的 5000 多家供應(yīng)商提供。
▲EUV 設(shè)備集成了來自全球 5000 多家供應(yīng)商的組件
盡管中國每年提交的半導體學術(shù)研究論文和專利數(shù)量是最多的，但美國仍是該行業(yè)最相關(guān)創(chuàng)新的源頭：每項美國半導體專利的平均被引用次數(shù)是世界上任何其他國家專利的 3~6 倍。
▲2010-2019 年全球各地區(qū)半導體專利申請數(shù)分布
八、海外人才對美國半導體發(fā)展貢獻大
目前大多數(shù)現(xiàn)代半導體中使用的一些最基本的半導體技術(shù)突破，包括 MOSFET、CMOS 制造工藝等，均是由移民到美國的人開發(fā)的。
根據(jù)安全和新興技術(shù)中心（CSET）最近的一項研究，目前美國大約 40% 的高技能半導體工人出生在美國之外。
國際學生占電氣工程和計算機科學研究生的 2/3 左右，超過 80% 的學生在完成學位后會留在美國。
九、半導體行業(yè)吸引人才面臨激烈競爭
人才已經(jīng)成為半導體行業(yè)的主要關(guān)注點，人才短缺的風險可能會限制未來幾年的創(chuàng)新步伐。
2017 年一項整個供應(yīng)鏈半導體高管進行的調(diào)查顯示，約 80% 的公司面臨著技術(shù)職位候選人的嚴重短缺。在 2018 年的另一項調(diào)查中，64% 的受訪者將人才列為威脅其發(fā)展能力的三大風險之一，并且是最高的風險因素。
薪資統(tǒng)計數(shù)據(jù)還指出了人才供應(yīng)方面的限制：自 2001 年以來，美國半導體行業(yè)的薪資增速平均為 4.4%，明顯快于整個經(jīng)濟的薪資增速。
半導體行業(yè)還面臨著勞動力老齡化的挑戰(zhàn)，大量現(xiàn)有技術(shù)崗位的員工可能在未來 10-15 年退休。
此外，該行業(yè)還需要吸引不同技能的人才，特別是軟件開發(fā)和人工智能方面的人才。
從理工科畢業(yè)生全球人才庫的歷史增長來看，似乎難以滿足半導體行業(yè)對人才的需求。
▲全球理工科畢業(yè)生人才庫總量的歷史增長看起來不足以滿足行業(yè)對人才的需求
該報告對美國國家科學和工程中心（NCSES）統(tǒng)計的全球數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果顯示，在半導體供應(yīng)鏈領(lǐng)先的六大地區(qū)，從 2000 年到 2015 年（最近有完整數(shù)據(jù)的年份），年增長率為 4.5%。
科學和工程博士的數(shù)量顯示了相似的增長率。這種增長在不同地區(qū)也有很大差異：中國的人才庫每年增長 10% 以上，在美國的增長率低于 3%。
這個全球性人才庫也面臨著激烈的競爭，特別是軟件和消費技術(shù)公司數(shù)量的爆炸式增長，增加了半導體行業(yè)吸引留住高技能技術(shù)人才的挑戰(zhàn)。
結(jié)語：解決供應(yīng)鏈風險需要政府刺激措施
根據(jù)這份報告的分析，雖然地理專業(yè)化促進了創(chuàng)新，并降低了消費者的成本，但它也造成了供應(yīng)鏈風險，應(yīng)通過政府刺激措施來提高本土芯片生產(chǎn)，從而解決供應(yīng)鏈風險。
該報告呼吁政府采取以下行動，以提高供應(yīng)鏈的長期彈性：
1、確保國內(nèi)外公司都享有平等的全球競爭環(huán)境，并強有力地保護知識產(chǎn)權(quán)；
2、促進研發(fā)和技術(shù)標準方面的全球貿(mào)易和國際合作；
3、投資于基礎(chǔ)研究、STEM 教育和勞動力發(fā)展；
4、制定先進的移民政策，使領(lǐng)先的全球半導體集群能夠吸引世界一流的人才；
5、建立明確、穩(wěn)定的框架，以有針對性地控制半導體貿(mào)易，避免對技術(shù)和供應(yīng)商的廣泛單方面限制。
總體而言，為了降低全球主要供應(yīng)中斷的風險，該報告認為美國政府應(yīng)制定以市場為導向的激勵計劃，以實現(xiàn)更加多元化的地域覆蓋。
這些激勵措施應(yīng)旨在擴大美國的半導體制造能力并擴大某些關(guān)鍵材料的供應(yīng)，例如能滿足美國本土對國防、航空航天和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施所用先進邏輯芯片的需求。
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