全球价值链发展报告2023

2024年1月15日第2期总第628期 全球价值链发展报告2023 【译者按】2023年11月，WTO等机构联合发布《全球价值链发展 报告2023——从无晶圆厂到遍地晶圆厂？转型中的半导体全球价值链》。报告认为，进入21世纪后，新建晶圆厂成本迅猛增加导致无晶圆厂芯片设计公司大量出现，进一步推动半导体全球价值链转型。现阶段半导体全球价值链可能面临三种情况：目前的组织结构和地理分布将保持不变、某些经济体（如中、美）将开发新的突破性平台，用于生产半导体以外的集成电路、地缘政治竞争或冲突将从根本上扰乱甚至摧毁半导体全球价值链。面对复杂多变的国际形势，“遍地晶圆厂”梦想难以实现。赛迪智库世界工业研究所对报告进行了编译，期望对我国有关部门有所帮助。 【关键词】晶圆晶圆厂芯片半导体价值链 -1- 一、无晶圆厂的半导体公司现已成为全球半导体行业的主流 商业模式。 众所周知，集成电路（即半导体芯片）是在一条复杂且高度全球化的价值链上生产出来的。由分布在不同国家或地区的半导体公司共同完成芯片设计、晶圆制造、组装、封装和测试等必要工作，然后将芯片分销给最终设备的下游制造商。在当前的半导体全球价值链中，没有一个国家或地区能够做到“既不需要外国技术也不需要外国材料”，拥有完全自主和一体化的半导体部门，各个国家和地区在半导体产业中都是相互依存的。但并非所有国家和地区都需要或有能力运营高效的芯片制造工 厂，即“晶圆厂”。事实上，在过去三十年中，半导体生产的国际化和分散化在很大程度上是由20世纪80年代末开始的“无晶圆厂革命”推动的。半导体技术的不断发展和对经济效益的追求，进一步加剧了这一高科技产业的国际分工。 新建晶圆厂的成本呈指数级增长是导致“无晶圆厂”芯片设计公司大量出现的关键因素。1983年，一座晶圆厂的建设成�仅约为2亿美元，而到了20世纪20年代初，一座尖端晶圆厂的 建设成�将远远超过200亿美元，而且未来十年的运营成�也将同样高昂。因此，新晶圆厂数十亿美元的成本已成为进入该行业的主要障碍。硅谷的许多初创公司都没有通过建造昂贵的晶 -2- 圆厂来进入这一行业，而是专门从事集成电路设计，并将芯片制造任务外包给美国和其他地方的成熟公司。它们就是“无晶圆厂”的芯片设计公司。从1985年到1994年，仅在硅谷就出现 了约250家无晶圆厂的与半导体相关的公司。 这些无晶圆厂的半导体公司的崛起，对当时传统的集成器件制造（IDM1）模式提出了挑战，在这种模式下，IBM微电子公司、英特尔公司和德州仪器公司等美国大型半导体公司将生产芯片需要的所有工作都收入其内部晶圆厂中；这种模式还加速了生产的空间分割和半导体产业的全球化。以苹果、英伟达和 高通等行业领导者为代表，无晶圆厂的半导体公司现已成为全球半导体行业的主流商业模式。到2020年，无晶圆厂的半导体 公司的总收入达到1530亿美元，约占整个行业的三分之一，而在2000年则为7.6%。 无晶圆厂模式的出现加强了产业在任务层面的功能和地域专业化。例如，美国的无晶圆厂公司专门从事集成电路设计和营销，而东亚的半导体公司则负责晶圆制造和下游生产活动。因此，全球半导体行业的晶圆制造已高度集中在中国台北、韩国、 1垂直整合制造（IDM）：指从设计、制造、封装测试到销售自有品牌IC都一手包办的半导体垂直整合型公司。代表公司Intel、TI（德州仪器）、Motorola、Samsung、NEC（日电）、Toshiba、茂矽,华邦、旺宏等都是知名的IDM公司。半导体这条产业链主要分前段设计（design）,后端制造 （mfg）、封装测试(package)，最后投向消费市场。有的公司只做design这块，是没有工厂的，通常就叫做fabless。有的公司，只做代工，只有工厂,不做design这块，人称foundry。那还有的公司就是从头到尾都做，这种就叫IDM(IntegratedDesignandManufacture)公司了。 -3- 中国大陆、日本和新加坡；在2018-2023年期间，这些国家和地区的晶圆制造能力合计约占全球总产能的80%。在这场“无晶圆厂革命”中，台积电（TSMC）成为全球最大的纯晶圆代工厂，在2022年生产的最先进芯片中，台积电占了85%以上。 为了通过建设国内芯片制造能力来加强半导体供应链的弹性，不同国家和地区的政府都采取了大规模财政补贴和税收优♝的产业政策。美国的《2022年芯片与科学法案》承诺提供520亿美元的补贴，以振兴美国的半导体制造业，增强其在集成电路研究与设计方面的竞争力。为减少欧盟对美国和东亚半导体制造商的依赖，欧洲议会于2023年4月18日批准了耗资430亿欧 元的《欧洲芯片法案》，计划到2030年将欧洲制造的半导体份额从10%提高到20%。2015年发布的《中国制造2025》将半导体列为未来重点发展的产业之一，并设定了到2025年半导体生产自给率达到70%的目标。 其他经济体也在寻求提高芯片“制造”的自给率。在当前全球竞相建设新晶圆厂的浪潮中，日�政府已将半导体定为对经济活动和国家安全至关重要的产业，并拨出2万亿日元，为企业在制造设施、芯片制造设备和半导体材料方面的投资提供高达 50%的补贴。韩国已将目光投向了扩大其“K-半导体产业带”，到2030年通过税收减免吸引高达4500亿美元的私人投资。印度 -4- 莫迪政府于2021年12月批准了“印度半导体计划”，为在印度 发展可持续的半导体和显示器制造生态系统提供100亿美元的奖 励计划。在2021-2023年期间，印度半导体行业的三大巨头每年都会针对具体企业进行投资：三星（360-400亿美元）、台积电 （300-360亿美元）和英特尔（200-270亿美元）。 2023年，全球半导体产业显然已经到了一个新的紧要关头，抗风险能力、国家安全以及对技术领先地位的竞争，都在挑战着备受欢迎的高效无晶圆厂芯片设计和制造模式。同时，新技术民族主义的兴起，正在把高度国际化的半导体产业带入“真正的民族国家应该拥有晶圆厂”的时代。但这种“每个国家都想建立自己的半导体工厂”的技术民族主义目标似乎并不现实。 二、半导体全球价值链：环节和增值结构 半导体全球价值链有七个环节组成（见图1）。它们共同构成了巨大的全球半导体市场，2022年销售额达5700亿美元，预计到2030年销售额将超过1万亿美元。 （1）竞争前研发。这个环节是为了解芯片设计和制造技术奠定基础的基�流程。它具有显著的正外部性，与专有和竞争性工业研发明显不同，但又相辅相成。政府通常在推动半导体基础研究方面发挥重要作用。 -5- 资料来源：美国半导体产业协会等公开资料，赛迪智库整理 图1：半导体价值链基本结构 （2）集成电路设计。半导体设计是知识和技能高度密集型行业，约占研发总支出的53%，2019年占该行业总附加值的50%以上。参与芯片设计的企业包括IDM公司、无晶圆厂设计公司和其他新企业。芯片设计主要由IDM公司（如英特尔和三星）、无晶圆厂公司（将收入的10%至20%投资于研发）、系统 或平台公司（如苹果、阿里巴巴、Alphabet、亚马逊、Facebook等）以及工业公司（如特斯拉）进行。设计尖端芯片，如最先进的处理器或片上系统，需要数百名工程师多年的共同努力， -6- 成�极其高昂。例如，2020年设计一个5纳米节点芯片的成�超过5.4亿美元。为了摊销高昂的设计成�并实现规模经济，大多数公司都专注于设计对个人电脑和智能手机等终端市场信息和通信技术设备以及人工智能服务器至关重要的尖端通用芯片。 （3）晶圆制造。前端芯片制造是半导体价值链中最关键的环节之一，也是目前各国政策和安全关注的焦点。不同类型的芯片，晶圆制造涉及400到1400个步骤，平均耗时12周。晶圆制造过程需要使用数百种不同的投入品（包括原始硅晶圆、商 品/专用化学品、散装气体等），以及数十种非常昂贵的专有加工和测试设备/工具，整个过程跨越多个阶段，根据电路设计的复杂程度，往往要重复数百次。尤其是前沿节点（2020年为5纳米，2023年为3纳米，预计2025年为2纳米）的晶圆制造，需要数百亿美元的巨额前期投资来建造高度专业化的晶圆厂。纯晶圆代工厂的资�支出通常占其年收入的30%至40%，而一座标准产能的先进晶圆厂目前需要约50亿美元（模拟晶圆厂）至 200亿美元或更多（逻辑/存储晶圆厂）的资�支出。 （4）组装、封装和测试（APT）。组装、封装和测试通常被称为“后端制造”，需要将前端晶圆厂生产的硅晶圆转化为成品芯片，然后再组装成电子模块和最终设备。APT活动通常外包给专业公司，这些公司将成品硅晶圆切成单个芯片，封装到保 -7- 护壳中，并在将其运往电子制造商之前对缺陷进行测试。 与前端制造相比，后端制造的资�密集度较低，雇佣的劳动力也要多得多。APT市场总规模约为300亿美元。尽管在过去十年中进行了重大的行业整合，但由于进入壁垒较低，APT市场仍然是一个集中度较低的细分市场。大多数APT活动发生在中国台北和中国大陆。即使是唯一一家总部设在美国（亚利桑那州）的大型APT公司安靠（Amkor），也是源自韩国，其20个生产基地中有19个位于东亚和东南亚。 （5）电子设计自动化和核心知识产权。无晶圆厂设计公司 在很大程度上依赖于获得EDA软件和核心知识产权。EDA软件被广泛应用于几乎所有类型的芯片设计，对于最先进的节点而言，它变得尤为复杂、技术和知识密集。为了跟上行业极短的创新周期，EDA软件供应商在整个半导体价值链中拥有最高的研发支出（平均超过收入的35%）。虽然EDA行业仅占半导体市场的3%左右，但EDA软件供应商在新型工艺的不断发展中起到了重要作用，在行业及其生态系统中发挥着不成比例的巨大作用。这些特点导致了寡头垄断的市场结构，三家美国公司 （益华电脑、新思科技和明导）主导了整个EDA市场，在 2021年占据了总计75%的市场份额。鉴于这种极端的市场集中度和对单一国家供应商的严重依赖，EDA领域显然已成为极易 -8- 受到地缘政治冲突影响的供应链依赖点或“咽喉”。 （6）半导体制造设备。半导体制造涉及50多种由不同生产商提供的高精尖设备，每个生产商都专门从事复杂芯片制造过程中的特定步骤/类型。开发和制造这些先进的高精度设备需要大量的研发投资。由于研发密集度高，该环节也由占据了70%以上的市场份额的五家顶级中小型供应商主导。这五家中小型供应商2019年的收入从50亿美元到150亿美元不等，它们是美国的应用材料公司（最大）、泛林集团和KLA（最小）、荷兰的ASML以及日本的东京电子。 目前，只有台积电、三星和英特尔三家巨头正在建造尖端晶 圆厂，并投资于必要的先进半导体制造设备。因此，尖端半导体制造设备的客户基础相对较小，高度依赖于中国台北、韩国、美国客户之间的贸易关系，并日益依赖于中国大陆（在先进芯片制造方面自力更生，迎头赶上）。2019年，ASML在中国台北 和韩国的销售额占其全球销售额的64%；东京电子57%的销售额来自中国大陆、韩国和中国台北；仅台积电就占到应用材料公司年销售额的14%。简而言之，虽然美国、欧洲和日本是生产/供应半导体制造设备的主要地区，但它们在很大程度上依赖于东亚地区值得信赖的客户，即中国台北、韩国和中国大陆的尖端晶圆厂。这反过来又表明了半导体全球价值链的相互依赖 -9- 性。 （7）材料和化学品。半导体制造商必须依赖专业的材料和化学品供应商，其中大多数是服务于多个行业的大公司。半导体制造业在电路图案化、沉积、蚀刻、抛光和清洗等各种工艺步骤中使用300多种不同的投入（材料、化学品和气体），其中许多都是采用尖端技术生产的。例如，多晶硅用于制造硅锭， 然后再切成硅片，对纯度的要求极为严格。♘有四家供应商拥有技术能力，而它们占据了全球90%以上的市场份额。 以上7个环节说明了半导体产业结构高度专业化。半导体 的增值份额可细分为图2所示的八个类别。设计阶段是迄今为止最重要的阶段，分为逻辑芯片设计（占半导体增值的30%）、存