芯片供應鏈風險全解讀：一個半導體產品可能跨越 70 次國際邊界

兩周前，美國白宮發布了一份長達 250 頁的關鍵產品供應鏈百日評估報告，指出美國供應鏈存在的一系列漏洞。

該報告建議美國國會支持至少 500 億美元的投資，來為美國本土半導體制造和研發提供專用資金，并建議美國政府成立一個新的供應鏈中斷工作小組，幫助緩解瓶頸和供應限制問題。

在報告的第四章節，美國商務部用約 60 頁來分析全球半導體供應鏈局勢，尤其考察設計、制造、后端 ATP、材料、制造設備這五大半導體供應鏈關鍵環節，并對全球半導體產業核心地區的補貼及激勵措施加以匯總。我們對其中的關鍵信息進行編譯及梳理，以供參考。

01. 一個半導體產品可能跨越 70 次國際邊界

美國在全球半導體制造中所占份額已經從 1990 年的 37% 下降到現在的 12%，如果沒有一個全面的美國戰略來支持，該數字預計還會進一步下降。

典型的半導體生產過程涉及多國，產品可能跨越 70 次國際邊界，整個過程需要長達 100 天，其中 12 天是供應鏈步驟之間的中轉。

目前，美國的半導體設計生態系統處于世界領先地位，但高度依賴對中國的銷售和有限的 IP、勞動力及制造資源。

美國半導體行業協會（SIA）估計，2020 年美國半導體行業的年銷售額為 2080 億美元，占據了全球半導體市場的近一半，是美國第四大主要出口產品。

美國半導體制造能力則相對欠缺，前沿邏輯芯片主要依靠中國臺灣地區，成熟節點芯片需求主要依賴中國臺灣地區、韓國和中國大陸。同樣，其封測也嚴重依賴亞洲企業。

SIA 估計，如果中國臺灣地區芯片代工廠的邏輯芯片生產中斷，可能導致依賴芯片供應的電子設備制造商損失近 5000 億美元的收入。

半導體生產需要數百種材料，許多用于半導體的氣體和濕式化學品是在美國生產的，但對于美國來說，海外供應商主導了硅晶圓、光掩膜和光刻膠的市場。

從設備來看，美國在大多數前端半導體制造設備的全球生產中，占有相當大的份額，但關鍵的光刻設備生產除主要集中在荷蘭和日本。由于美國的半導體制造有限，這些設備制造商嚴重依賴美國以外的銷售。

該報告的綜述總結了 8 種主要風險，包括：（1）脆弱的供應鏈；（2）惡意供應鏈中斷；（3）使用過時的和幾代前的半導體，以及供應鏈中公司持續盈利的相關挑戰；（4）客戶集中度與地緣政治因素；（5）電子生產網絡效應；（6）人力資本缺口；（7）IP 盜用；（8）在獲取創新利益、協調私人和公共利益方面的挑戰。

02. 設計：美國邏輯芯片領先，營收依賴中國

芯片設計越來越多由“無晶圓廠（fabless）”半導體設計公司進行，其產業集中度明顯低于制造和設備環節。

總體而言，美國半導體設計生態系統是強大的和世界領先的，但其無晶圓廠設計公司必須與亞洲代工廠密切合作，且設計流程依賴于 IP 供應商和電子設計自動化（EDA）軟件。

當前基本的 IP 和 EDA 提供商的總部主要設在美國，美國仍對高技能人才具有吸引力，不過也面臨越來越依賴海外人才的問題。另外，美國芯片設計公司的銷售增長越來越依賴中國，這會影響到其研發支出。

▲許多在美國院校攻讀電氣、計算機、材料等專業的學生來自其他國家

半導體市場主要包含邏輯半導體、存儲半導體和模擬半導體，三者在 2020 年的市場份額分別約為 42%、26% 和 14%，其余市場份額為分立器件、光電器件、傳感器器件等非集成電路半導體。

1、邏輯芯片：美國遙遙領先

邏輯芯片是計算的基石，中央處理器（CPU）、專用圖形處理單元（GPU）、現場可編程門陣列（FPGA）的市場均為雙巨頭壟斷，而在專用集成電路（ASIC）和基于 Arm 架構的移動設備處理器供應商基礎上，競爭明顯加劇。美國在這些芯片設計方面處于世界領先地位。

▲2020 年集成電路市場份額領導者

2、存儲芯片：DRAM 三分天下，閃存繼續整合

存儲芯片方面，韓國三星、SK 海力士和美國美光為動態隨機存取存儲器（DRAM）領域的行業領導者，三家在 2020 年占據了全球 700 億美元存儲芯片市場的 95%。

閃存（NAND）生產則不那么集中，韓國三星、日本鎧俠、美國西部數據、韓國 SK 海力士、美國美光、美國英特爾這 6 家公司估計占 2020 年 470 億美元全球市場的 99%。

NAND 業務似乎正在進一步整合，去年英特爾計劃將其大部分 NAND 業務出售給 SK 海力士，也有報道稱，西部數據和美光可能正尋求收購鎧俠。此外，中國長江存儲也正快速擴張。

3、模擬芯片：輕晶圓廠運營模式較熱

與存儲芯片相比，模擬芯片商品化程度較低，通常不太依賴于使用先進制造節點。2020 年，10 家最大的模擬集成電路供應商占 560 億美元市場的 62%，只有德州儀器的市場份額超過 10%。

許多領先的模擬半導體公司都以“輕晶圓廠”（fab-lite）生產商的身份經營，采用自行建廠生產和外包相結合的方式。

4、非集成電路芯片：市場高度分散

分立器件、光電和傳感器等非集成電路半導體在 2020 年的銷售額為 790 億美元，占整個半導體市場（4400 億美元）的近 18%。這類產品中的大部分半導體都是成熟的節點技術芯片，通常每種只值幾分錢，市場高度分散。

除了成熟節點技術之外，非集成半導體的關鍵驅動技術主要是在電源管理和小型化方面的創新，特別是面向離散功率半導體，汽車是一大關鍵的終端應用領域。

美國主導的氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）和其他化合物半導體襯底的研發是電力管理和分配、高頻功率放大和光電子等各種應用發展的關鍵，平面顯示半導體也屬于這一類。

5、上游 IP 與 EDA：由歐美公司主導

IP 授權與 EDA 工具加速了芯片設計的創新。全球三大 EDA 供應商均在美國，同時 IP 核心領域歷來由總部位于美國和英國的公司主導。

該報告分析稱，美國企業在 EDA 的主導地位至少源自這些因素：市場領導者有能力收購和合并較小的 EDA 供應商、換 EDA 供應商對設計企業來說成本高昂，以及 EDA 公司與代工廠的關系。

同時該報告認為，過去幾年，中國已采取措施增強對半導體 IP 的獲取和控制，這可能會限制美國公司可獲得的 IP，從而給美國產業帶來風險。

03. 制造：缺乏先進工藝節點生產能力

晶圓廠有 IDM 和純晶圓代工廠兩種模式。

IDM 廠執行從設計到最終測試的全部流程，約占全球半導體產能的 2/3。SIA 報告稱，44% 美國半導體公司的生產能力位于美國。總體而言，2020 年美國占全球 IDM 收入的 51%，在邏輯和模擬芯片方面尤其強大。

純晶圓代工廠約占全球芯片產能的 1/3，但占邏輯芯片產能的近 80%。中國臺灣地區占據了 63% 的全球代工市場份額，其中臺積電一家就占了 53%；韓國約占 18%、中國大陸約占 6%。

美國在最先進芯片工藝節點上缺乏生產能力。目前全球僅臺積電、三星領先，美國英特爾預計到 2023 年才會全面進入 7nm 生產，因此美國無晶圓廠芯片公司幾乎完全依賴亞洲代工廠來生產最先進的芯片。同時美國在成熟節點也依賴集中在中國臺灣地區、韓國和中國大陸的芯片制造商。

▲1990-2021 年美國半導體產能占全球份額的變化情況及至 2030 年的變化預測

一個 300mm（12 英寸）晶圓，可以生產 600 個或更多的獨立芯片。在美國的 40 家主要半導體晶圓廠中，有 20 家采用現代標準的 300mm 晶圓；其他的則使用 200mm（8 英寸）或以下的晶圓。2009 年至 2018 年間，全球有超過 100 家 150-200mm 晶圓廠關閉，其中 70% 關閉地點位于美國和日本。

IC Insights 認為，許多晶圓廠使用了數十年，已經超過了它們的實際用途。在某些情況下，它們被更具成本效益或升級的設施所取代。在其他情況下，擁有晶圓廠的成本太高，一些公司轉向了輕晶圓廠或無晶圓廠的商業模式。

雖然美國芯片產能一直相對穩定，但美國以外的產能和產量也在增長，尤其是在亞洲。SIA 預測，到 2030 年，美國在半導體生產能力中的份額將下降到 10%，而亞洲的份額將增長到 83%。

2019 年，全球新建的 6 家半導體生產工廠中，沒有一家在美國，有 4 家在中國。

▲2019 年全球各地區晶圓制造能力分布（來源：SIA）

和設計業類似，美國芯片制造商也嚴重依賴對中國市場的銷售。美國勞動力老齡化問題，也對美國的芯片生產構成了威脅。

另外，半導體制造對能源的需求很高。設施每運行 1 小時，可能需要多達 100 兆瓦時的電力，相當于美國家庭 9 年的平均耗電量。由于電力占制造運營成本的 30%，獲得可靠且負擔得起的能源對半導體制造商具有競爭力至關重要。

事實上，全球化和高度專業化的半導體制造供應鏈結構，加上地理制造業集群的經濟利益，增加了自然和人為災害造成破壞的風險。此前，斷電、火災等突發事件均影響至全球芯片的供應。

美國環境保護署已經意識到這些問題，并一直與半導體行業就如何在未來的法規制定過程中考慮供應鏈的影響，保持著不斷的溝通。

04. 后端 ATP：美國缺乏生態，嚴重依賴亞洲

芯片生產的后端 ATP 環節，包括半導體組裝、測試、封裝和先進封裝。該環節通常由 IDM 廠商、純晶圓代工商和外包半導體封測（OSAT）廠商來提供服務。

當前，美國只占有全球半導體封裝能力的 3%，這還不包括測試能力，主要由 IDM 提供，他們通常在美國之外建有 ATP 設施。

美國公司占 ATP 市場營收的 28%，IDM ATP 市場營收的 43%。中國臺灣地區的臺積電、聯電，中國大陸的中芯國際、武漢新芯，均有封裝業務。

美國的 OSAT 只占全球 OSAT 業務的 15%，中國臺灣地區和大陸地區則約占據全球市場的 73%。安靠技術（Amkor）雖然總部設在美國，但沒有在美國建立生產設施。

▲ATP 市場份額（按營收）

傳統上，ATP 是一個自動化和低價值的業務，主要集中在中國大陸、中國臺灣地區和東南亞地區，但美國半導體的供應離不開這一關鍵環節，同時近些年來，封裝技術正變得越來越先進，中國在過去幾年在先進封裝方面進行了大量投資。

根據 SEMI 和 Techsearch 數據，2018 年全球有超過 120 家 OSAT 公司和 360 家封裝廠，其中超過 100 家封裝廠在中國大陸，大約 100 家在中國臺灣地區，43 家在東南亞，其他在歐美地區。

先進封裝類型包括芯片堆疊技術、嵌入式芯片、扇出晶圓級封裝和系統級封裝。

邏輯芯片的一種方法是將標準化 IP 功能分離成不同的、更小的芯片，稱為“chiplet”，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）及多家企業均在探索這一技術方向。

2019 年，先進封裝占總半導體封裝價值的 42.6%，預計到 2025 年將達到總體半導體封裝市場的近 1/2。

從 2014 年到 2025 年，先進封裝的收入預計將從 2014 年的 200 億美元增至 2025 年的約 420 億美元，增長 1 倍多；其復合年增長率（CAGR）為 6.1%，幾乎是傳統封裝市場預期增長的 3 倍。

當前全球前 10 大先進封裝公司，包括 2 家 IDM 商（美國英特爾、韓國三星），1 家代工商（中國臺灣臺積電），全球前 5 大 OSAT 商（中國臺灣日月光、中國臺灣矽品、美國安靠、中國臺灣力成科技、中國大陸長電科技），和 2 家更小的 OSAT 商（韓國 Nepes Display 和中國臺灣頎邦科技）。

這 10 家公司生產了全球大約 3/4 的先進封裝芯片。

此外，美國缺乏開發先進封裝技術的生態系統。先進封裝材料方面，美國在先進封裝基板及相關供應鏈方面能力不足，而中國正成為更具吸引力的基板供應商的市場。

美國的印刷電路板制造業曾經占全球總生產量的 30% 以上，如今只占不到 5%。

美國 IPC/USPAE 機構預計，美國在下一代電子應用所需的印刷電路板制造技術方面落后亞洲 20 年，在制造用于微電子封裝的先進印刷電路板制造類基板方面落后亞洲 30 年。

05. 材料：硅晶圓依賴日本，硅、鎵來自中國

有數百種材料被用于半導體制造過程中的不同階段。一個市場研究公司估計，2020 年全球電子市場材料和半導體工業化學品和氣體價值 183 億美元，有望到 2025 年增長至 262 億美元。

對于美國來說，海外供應商主導了硅晶圓、光掩膜和光刻膠市場，日本公司在這些行業尤其強大。同時，硅、鎵等原材料主要來自中國。

該報告主要復盤了包括多晶硅、硅晶圓、光掩模與光刻膠、超純及常規化學品和氣體、原材料在內的一些關鍵半導體材料供應鏈：

1、多晶硅：中國占全球產能的 70% 以上

幾家在美國生產電子級多晶硅的制造商，包括美國 Hemlock Semiconductor、挪威 REC Silicon、德國 Wacker 和日本三菱綜合材料。

美國本土生產商稱，盡管美國目前有生產能力，但由于中國采取行動增強其在半導體和太陽能供應鏈上的主導地位，美國的技術領先地位和半導體級多晶硅的生產面臨風險。

中國占全球太陽能級多晶硅市場的 95% 以上，美國目前還不存在太陽能行業的直接客戶，但由于半導體級多晶硅和太陽能級多晶硅的生產過程密切相關，美國生產商必須能利用強勁的全球太陽能產品市場，以確保半導體材料的持續生產。

這些生產商說，中國目前占全球多晶硅產能的 70% 以上，美國占 9%。

2、半導體硅晶圓：日本坐擁半壁江山

日本公司在硅晶圓市場占據主導地位，估計占有 56% 的市場份額，其次是中國臺灣地區（16%）、德國（14%）和韓國（10%）。

雖然一些德國、日本和中國臺灣地區公司在美國建有生產設施，但只有像 Virginia Semiconductor 公司這樣的美國小公司制造硅晶圓。當前中國大陸在 300mm（12 英寸）晶圓的制造能力方面還非常有限，預估所占市場份額不超過 5%。

目前，半導體產業廣泛使用 300mm 晶圓，一些領先的制造商探索了 450mm 晶圓生產的投資，但半導體加工工具的制造成本明顯較高，投資預期回報較低，導致這種方法被放棄。200mm 晶圓也繼續擁有一個很大的市場。

盡管絕大多數商用半導體是由硅晶片生產的，但鍺、GaAs、GaN 和 SiC 等復合半導體更適合 5G 通信、自動駕駛汽車、可再生能源和軍事系統等關鍵新興應用。隨著其商業應用越發廣泛，它們與傳統半導體材料之間的成本差距已經縮小。

美國目前在氮化鎵（GaN）微波電子學方面處于領先地位，其他國家也正在大規模投資以發展本土氮化鎵。

美國能源部早在 2015 年成立了一個由 60 家機構組成的聯盟 Power America，重點加速應用美國制造的 SiC 和 GaN。美國 DARPA 還資助了磷化銦、GaAs、SiGe、SiC、GaN 和氮化鋁等項目，以及最近在超寬帶隙半導體方面的工作。不過當前 SiC 和 GaN 的制造服務主要在美國之外。

3、光掩模與光刻膠：日本領先地位難撼動

光掩模包含集成電路圖形，被用于確保將圖形精確轉印到硅晶圓上。在光刻工藝環節，光線穿過光掩模，將圖形投射到晶圓表面。

光刻膠是一種用于形成圖案的光敏有機材料，被用于光刻工藝過程中經過曝光將光掩膜版上的圖形轉移到晶圓片上。

在大型半導體公司中，自主生產光掩模很常見。美國英特爾、韓國三星、中國臺灣臺積電和中國大陸中芯國際都有自己的掩膜生產業務。然而，無晶圓廠半導體公司依賴于總部設在日本、美國和中國臺灣地區的商業掩膜制造商。

美國 CSET 估計，日本公司控制了 53% 的商業掩膜市場，美國公司占 40%，中國臺灣地區公司占 7%。

根據 CSET 供應鏈研究，日本公司還占據了半導體光刻膠市場的 90% 份額。剩下的 10% 主要由美國和韓國的公司持有。中國本土幾乎沒有能力生產先進的光刻膠。

4、超純及常規化學品和氣體：美歐日占優勢

半導體行業有許多化學品和氣體供應商，美國、日本和歐洲都有領先的公司。許多非美國公司通常會在美國設立分支機構。大多數化學和氣體供應商的大部分業務均不在半導體行業。

美國、日本和法國生產半導體氣體。目前，六大供應商是美國慧盛材料、韓國 SK 材料、日本 MTG/TNS、法國液化空氣、英國林德/美國普萊克斯和日本 KDK。它們占據了約一半的市場份額，約 50 家供應商占據了另一半市場。

美國、德國和日本是濕電子化學制品的主要生產國。美國 KMG、美國艾萬拓、美國霍尼韋爾、德國巴斯夫和日本關東化學在該市場占有超過 60% 的份額。

5、原材料：供應來源集中在中國

硅、鎵等用于生產晶圓的原材料都集中在中國。氦氣也很短缺。美國是氦氣的來源之一，它是天然氣生產的副產品，因此受天然氣價格的影響。

執行命令 14017 要求的關鍵礦物和材料供應鏈審查中，討論的一些關鍵材料、礦物和稀土元素用于半導體制造（包括鎵和多晶硅）。然而，盡管這些材料對半導體制造過程至關重要，但這些材料的其他用途是這些材料的消費者，這些材料的問題并不是半導體行業特有的。

06. 制造設備：美國占較大份額，光刻設備依賴荷蘭與日本

半導體生產線的不同環節，會用到不同類型的半導體制造設備。

前端制造設備包括光刻、蝕刻、摻雜或離子注入、沉積、拋光或化學機械平面化。特別值得注意的是金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）設備，它主要被用于生產 GaAs、GaN 等化合物半導體。后端制造設備包括 ATP 設備和先進封裝。

美國在半導體制造設備領域市占率較高，但高度依賴外銷。根據美國應用材料及泛林研發公司的財報，其 2020 年營收中，約有 90% 來自美國之外的地區。

目前半導體制造設備市場份額前三的分別是美國（41.7%）、日本（31.1%）和荷蘭（18.8%）。除了裝配及封裝設備、MOCVD 設備外，中國公司沒有占據明顯的份額。

2019 年，五大半導體制造設備公司是美國應用材料（18.8%）、荷蘭 ASML（16.8%）、日本東京電子（13.4%）、美國泛林研發（11.8%）、和美國科磊（6.8%），共占有全球市場的 67.6%。

如下圖所示，雖然美國在大多數前端 SME 的生產中占有相當大的市場份額，但光刻掃描/步進設備是一個明顯的例外，幾乎都是由荷蘭公司 ASML 和日本公司尼康和佳能生產的，其中 ASML 是 EUV 光刻機的唯一供應商。

▲集成電路制造工具市場份額

MOCVD 設備的主要供應商包括美國 Veeco、德國愛思強和中國大陸中微公司；蝕刻設備的前三是美國泛林研發、日本東京電子和美國應用材料。

相較前端，美國在后端封裝設備方面的市場份額較小。日本有最大的封裝設備份額（35.7%），其次是中國大陸（22.9%）和荷蘭（11.1%）。

不過美國庫力索法半導體是一家全球領先的半導體封測設備公司。美國和日本是后端測試設備（ATP）的領導者，分別擁有 33.5 和 48.6% 的市場份額。

一個半導體制造設備可擁有 100 多個零部件，根據制造商普查調查，美國半導體制造設備銷售收入的一半被花費在了零部件和其他材料上。美國公司也為外國公司出售的設備提供關鍵零部件。

報告還提到，中國政府對半導體制造設備生產商的補貼，對企業的財務表現產生了明顯的影響。

目前有超過 200 家晶圓廠在 200mm（8 英寸）晶圓上生產半導體，主要用于 350nm~90nm 的成熟節點芯片。當前 200mm（8 英寸）制造設備短缺，尚無緩解的跡象。

一家半導體制造設備公司報告稱，盡管從 2010 年到 2015 年，200mm 晶圓設備的銷售如預期的那樣下降，200mm 和 300mm 之間的比例為 50%，但需求卻回到了 2010 年的水平。

SEMI 報告稱，2019 年有 5 個新 200mm 晶圓廠，2020 年有 7 個開始建設（其中 3 個在中國大陸，美國、日本和中國臺灣各 1 個)。雖然 200mm 的設備過去是可用的二手設備，這個市場已經枯竭。200mm 的新設備也很難找到，尤其是光刻設備。

如今，新設備的購買將會取決于新晶圓廠、技術、功能或增加產量的需求、增加服務的重要性，以及大型提供商的升級和行業的整合。這也使較小的設備公司面臨被大公司吞并或銷量流失到大公司子公司的風險。

07. 解決供應鏈風險的 7 項政策建議

除了分析半導體供應鏈現狀外，該報告也提出了 7 項政策建議，旨在解決當前半導體短缺和報告中確定的風險：

1、與工業界合作，促進投資、提高透明度和協作，以解決半導體短缺問題。

2、根據美國《2021 財政年度國防授權法案》（NDAA）規定，為 CHIPS 法案提供全面資金。

3、通過立法行動來實施美國總統美國就業計劃中的想法，加強其本土半導體制造生態系統，為支持關鍵的上游提供激勵。

4、通過研發資源支持制造商，特別是中小企業，以證明新興技術和融資從實驗室轉移到市場，并解決增長的資本需求，促進創新。

5、通過大量投資來發展和多樣化 STEM 人才管道，勞工部就業和培訓管理局以部門為基礎的途徑和培訓項目、公共/私人投資來幫助資助勞動力發展及移民政策的改變，從而吸引世界上最優秀和最聰明的人才。

▲在半導體和其他電子元件制造業中，最詳細的 STEM 職業教育水平的相對百分比

6、通過鼓勵外國晶圓廠和材料供應商在美國及其他盟國和伙伴地區投資，提供多樣化的供應商基礎，與盟友及伙伴就半導體供應鏈彈性進行合作。

7、保護美國在半導體制造和先進封裝方面的技術優勢，確保出口控制支持政策行動，以解決與其供應鏈相關的國家安全和外交政策關切。

08. 結語：加強本土供應鏈，機遇與挑戰并存

該報告還對中國大陸、韓國、歐盟、日本、中國臺灣地區、新加坡及以色列為半導體產業提供的補貼及激勵措施進行了匯總整理，并分析了當前美國半導體制造業發展所面臨的機遇及挑戰。

在美國政府的推動下，臺積電、三星、英特爾、格芯均宣布了新的美國半導體制造建廠計劃。提高本土半導體產能不僅有助于解決半導體供應鏈各個環節的供應鏈脆弱性，還可能成為高質量、高薪工作的來源。

SIA 估計，半導體行業的每一個直接就業崗位都會產生 4 到 5 個間接就業崗位。此外，半導體生產設施也有助于增加電子材料、封測等上下游產業的就業機會。

美國政府鼓勵先進芯片封裝和測試的政策，亦可以增強供應鏈的彈性，這些激勵措施可能針對相對邊緣或經濟不景氣的美國地區。

另一方面，提高本土半導體產量及發展下一代半導體技術，最大的挑戰是資金。以制造業為例，在全球任何地方建一個 12 英寸大型晶圓廠都要花數十億美元，一個領先的工廠甚至要花費數百億美元。

美國勞動力成本較高、政府激勵措施偏少，因此在美國建立新工廠的 10 年成本可能達到平均 60 億美元，比在中國臺灣、韓國或新加坡建立同樣的工廠高 30%，比在中國大陸高 50%。