半導體可能是世界上最重要的行業(yè)，因為它們是各種產(chǎn)品和服務(wù)的基礎(chǔ)。此外，它們在新興技術(shù)（例如人工智能（AI），高性能計算（HPC），5G，物聯(lián)網(wǎng)和自治系統(tǒng)等）中發(fā)揮關(guān)鍵的促成作用。
與中國已經(jīng)在全球范圍內(nèi)獲得高額市場份額的行業(yè)（包括高鐵，太陽能電池板和電信設(shè)備）不同，中國大陸在半導體領(lǐng)域的全球市場份額和競爭力，尤其是在總部設(shè)在中國的公司方面，在半導體領(lǐng)域仍然不大。半導體產(chǎn)業(yè)的全球領(lǐng)導者主要分布在歐洲，日本，韓國，中國臺灣和美國。
在本文里，我們來看一下半導體行業(yè)的最新現(xiàn)狀。
全球半導體工業(yè)概況
“半導體”一詞是指一種固體物質(zhì)——如硅，這些產(chǎn)品具有導電性，可以用作導體或絕緣體。半導體，也被稱為集成電路（IC），構(gòu)成了為電子設(shè)備提供動力的大腦，提供了支持數(shù)字計算的計算和存儲能力。半導體將多達300億個晶體管封裝在一平方厘米大小的芯片上，電路以納米級（nm，長度單位等于百萬分之一米）水平測量，最新的半導體制造廠生產(chǎn)5a€‰nm和 3a€‰nm尺度的半導體。最前沿的半導體含有比人類頭發(fā)薄10000倍的晶體管，其工作公差甚至小于冠狀病毒的大小。2019年，全球半導體行業(yè)創(chuàng)造了4120億美元的收入，出貨量超過1萬億美元。分析師預計，到2026年，半導體行業(yè)將增長至7300億美元。
2019年，總部設(shè)在美國的半導體企業(yè)占全球半導體行業(yè)銷售額的47%（較2012年的51.8%份額下降約5%），其次是韓國企業(yè)占19%，日本和歐洲企業(yè)各占10%，中國臺灣企業(yè)占6%，中國大陸企業(yè)占5%。（見圖1。）
然而，由于美國許多半導體是在中國臺灣和中國大陸等地生產(chǎn)的，生產(chǎn)份額有所不同。事實上，截至2019年，美國僅占全球半導體制造產(chǎn)能的11%，而韓國占28%，中國臺灣占22%，日本占16%，中國大陸占12%，歐洲占3%。(見圖2)。從2015年到2019年，中國占全球半導體制造產(chǎn)能的份額翻了一番。截至2020年年底，美國只有20家半導體制造工廠(“晶圓廠”)在運營。
圖1:2019年全球不同國家/地區(qū)半導體行業(yè)銷售市場占有率
圖2:按國家（地區(qū)）劃分的全球半導體制造能力
半導體的四種主要類型是邏輯芯片、存儲器（通常是動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）或NAND）芯片、模擬芯片（那些產(chǎn)生信號或轉(zhuǎn)換信號特性的芯片，在汽車和音頻應用中尤其流行），以及分立芯片（設(shè)計用于執(zhí)行特定電子功能的芯片）。就全球半導體行業(yè)各主要細分市場按公司總部所在地劃分的市場份額而言，2019年，美國在邏輯和模擬領(lǐng)域明顯領(lǐng)先，韓國在內(nèi)存領(lǐng)域領(lǐng)先（美國緊隨其后），歐洲企業(yè)在分立半導體領(lǐng)域領(lǐng)先。總部設(shè)在中國的公司在邏輯市場領(lǐng)域的注冊份額僅為9%，在離散領(lǐng)域的注冊份額僅為5%。(參見圖3)。
圖3:全球不同國家和地區(qū)的半導體行業(yè)市場占有率，各細分市場，各總部企業(yè)
2019年，邏輯部分的全球銷售額為1070億美元，內(nèi)存部分為1060億美元，模擬部分為540億美元。英特爾是邏輯芯片市場份額的全球領(lǐng)導者。德州儀器、ADI和英飛凌是模擬芯片市場的領(lǐng)頭羊，截至2020年第一季度，其市場份額分別為19%、10%和7%。三星和SK Hynix（總部均位于韓國）緊隨其后的Micron（美國）在DRAM生產(chǎn)方面居世界領(lǐng)先地位，分別占44%，截至2020年第1季度，占全球市場份額的29%和21%。英特爾、三星、臺積電、SK海力士和美光在最終預測的2020年半導體銷售中領(lǐng)先競爭對手。（見表1）該表還顯示了美國無晶圓廠半導體行業(yè)的實力：2019年，美國本土的半導體設(shè)計公司占全球無晶圓廠半導體銷售額的65%，領(lǐng)先企業(yè)包括高通公司。博通、英偉達、蘋果和AMD。
表1:2020年半導體全球銷售領(lǐng)導者前15名
如表1所示，該行業(yè)高度全球化，許多國家的企業(yè)在半導體生產(chǎn)的多個方面展開競爭，從半導體設(shè)計到制造，再到ATP（組裝、測試和封裝）活動。事實上，半導體價值鏈的每個環(huán)節(jié)平均有25個國家的公司參與直接供應鏈，23個國家的公司參與支持功能。超過12個國家有直接從事半導體芯片設(shè)計的企業(yè)，39個國家至少有1個半導體制造廠，而超過25個國家有從事ATP活動的企業(yè)。（見圖4）半導體生產(chǎn)過程的每個環(huán)節(jié)都創(chuàng)造了大量價值，其中美國國際貿(mào)易委員會（U.S.ITC）估計，半導體芯片90%的價值在設(shè)計和制造階段平均分配，最后10%的價值生產(chǎn)通過ATP活動進行。
圖4：企業(yè)參與半導體生產(chǎn)活動各個階段的國家/地區(qū)數(shù)量
生產(chǎn)一些世界上最先進的技術(shù)設(shè)備所需的全球價值鏈的廣度和規(guī)模已經(jīng)在該行業(yè)產(chǎn)生了許多商業(yè)/運營模式。（見圖5）從歷史上看（可追溯到20世紀50年代和60年代），半導體行業(yè)主要由集成器件制造商（IDM）組成，也就是說，這些公司在內(nèi)部負責半導體制造的所有關(guān)鍵方面，特別是設(shè)計和制造。英飛凌（Infineon）、英特爾（Intel）、美光（Micron）、瑞薩（Renesas）、三星（Samsung）、SK海力士（SK Hynix）和德州儀器（Texas Instruments）等公司至今仍然是IDM的領(lǐng)軍企業(yè)。
圖5：半導體行業(yè)的運營模式
1987年，中國臺灣的張忠謀創(chuàng)立了臺積電(臺灣半導體制造公司)，該公司開創(chuàng)了代工商業(yè)模式，專注于為其他半導體公司代工，這些公司通常專注于為特定用途設(shè)計半導體，如人工智能、無線通信或高性能計算應用。這本質(zhì)上代表了外包制造，或“制造即服務(wù)”——它徹底改變了行業(yè)，催生了臺積電以外的許多新參與者，包括美國的全球代工廠、中國大陸的半導體制造國際公司(SMIC)和中國臺灣的聯(lián)電公司(UMC)。
代工廠的出現(xiàn)反過來又支持了無晶圓廠行業(yè)的崛起;也就是那些專注于半導體芯片設(shè)計的公司，比如(現(xiàn)在沒有工廠的)AMD(用于人工智能、高性能計算和圖形芯片)、英偉達(NVIDIA)(用于圖形芯片)和高通(Qualcomm)(用于5G和其他無線芯片)?？偟膩碚f，這被稱為“無晶圓廠代工”模式。
外包ATP（也稱為外包組裝和測試，或OSAT）由多家全球公司執(zhí)行，包括Amkor（美國）、ASE Technology（馬來西亞）、J-Devices（日本）、Power Tech（中國大陸）和Siliconware Precision Industries（中國臺灣）。在這一過程的前端是專注于半導體研發(fā)（R&D）活動的公司和財團，如CEA Leti（法國）、Imec（比利時）、ITRI（中國臺灣）、SEMATECH（美國）和半導體研究公司（美國）。
20年前有近30家公司在技術(shù)前沿生產(chǎn)集成電路，而今天只有5家(英特爾、三星、臺積電、美光和海力士)。
另外一批進口量也很高的公司主要是應用材料公司（美國）、ASML公司（荷蘭）、KLA Tencor公司（美國）和Lam Research公司（美國）——這些公司生產(chǎn)經(jīng)營半導體工廠的機器和工具設(shè)備。2020年，全球半導體制造設(shè)備行業(yè)本身創(chuàng)造了620億美元的收入，預計到2025年，收入將以9%的復合年增長率（CAGR）增長至960億美元。最后，一些企業(yè)，特別是來自日本、韓國和中國臺灣的企業(yè)，制造化學品和重要部件半導體制造工藝。例如，氟化聚酰亞胺是一組提供物理強度和耐熱性的特殊聚合物，由大金化學（日本）、杜邦（美國）、日本朝日Kaneka Kashi Kasei和中國臺灣Taimide Technology生產(chǎn)。
換言之，全球半導體產(chǎn)業(yè)的一個關(guān)鍵驅(qū)動力是專業(yè)化，因為各國（地區(qū)）企業(yè)乃至整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)集群都選擇將其競爭精力集中在掌握半導體生產(chǎn)過程的關(guān)鍵方面（例如，荷蘭在極紫外（EUV）光刻技術(shù)方面的實力，日本在化學品和生產(chǎn)設(shè)備方面的實力，韓國在內(nèi)存芯片方面的實力，中國臺灣在代工廠方面的實力，或馬來西亞和越南在ATP活動方面的實力）。
全球半導體產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新動力
沒有哪個行業(yè)的創(chuàng)新動力能像半導體行業(yè)的摩爾定律那樣清晰而有效。由英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）創(chuàng)造的“摩爾定律”（從技術(shù)上講是指“進程節(jié)點縮放”）代表了這樣一個概念，即微芯片上的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番，實際上意味著半導體在速度和處理能力方面翻了一番，盡管它的成本降低了一半。摩爾的預測被證明是非常有先見之明，至少到目前為止，是非常可靠的。摩爾定律的創(chuàng)新過程在半導體性能和成本方面取得了巨大的進步：每片晶圓的晶體管數(shù)量增加了近1000萬個（自1975年摩爾定律提出以來），處理器速度提高了10萬倍，每片晶圓的成本降低了45%以上可比績效年。（見圖6）摩爾定律也為行業(yè)提供了某種程度上的指導性創(chuàng)新途徑，為競爭前研究財團的努力及其制定長期行業(yè)路線圖提供了方向。然而，盡管有些人認為摩爾定律是理所當然的，但一項研究發(fā)現(xiàn)，如今實現(xiàn)摩爾定律所需的研究人員人數(shù)是20世紀70年代初所需人數(shù)的18倍多。
圖6:在過去的半個世紀里，半導體的性能不斷提高，相對成本不斷降
這說明了一個關(guān)鍵點：全球半導體行業(yè)的創(chuàng)新并不像“天賜甘露”那樣到來，而是相當可觀的投資的結(jié)果，從研發(fā)過程本身開始，也延伸到建造和運營現(xiàn)代半導體工廠所需的成本。英特爾于2020年7月宣布，它在開發(fā)芯片制造技術(shù)的下一個重大進展方面至少落后了一年，也就是說，從10nm技術(shù)發(fā)展到7nm技術(shù)（它甚至可能不得不依賴競爭對手的制造設(shè)施進行某些生產(chǎn)），作為一個鮮明的提醒，半導體的創(chuàng)新并不容易，也不便宜，也不可靠。事實上，讓摩爾定律繼續(xù)運行并不是一件十拿一穩(wěn)的事情;相反，這是來自許多國家的行業(yè)參與者在過去幾十年里投入數(shù)千億美元的結(jié)果(政府對基礎(chǔ)研究和應用研究的投資也起到了補充作用)。
工業(yè)研發(fā)和資本支出
事實上，全球半導體行業(yè)正與生物制藥競爭成為世界上研發(fā)最密集的行業(yè)。例如，在“2019年歐盟工業(yè)研發(fā)投資排行榜”中排名前13位的半導體公司，研發(fā)投資占銷售額的18.4%，超過生物制藥行業(yè)。（見圖7。）
圖7：“2019年歐盟工業(yè)研發(fā)投資記分牌”中的行業(yè)研發(fā)
在2019年“歐盟工業(yè)研發(fā)投資記分牌”排名前13位的半導體公司中，有6家來自美國，研發(fā)密集程度排名前三的公司是高通、中國臺灣聯(lián)發(fā)科和美國AMD。(見表2)。在實際投資方面，三星以148億歐元（約176億美元）居首，華為以127億歐元（150億美元）緊隨其后，英特爾以118億歐元（137億美元）緊隨其后，但值得注意的是，在這三家公司中，英特爾是唯一一家業(yè)務(wù)完全與半導體相關(guān)的公司。2020年版的報告包含的企業(yè)級數(shù)據(jù)較少，但報告發(fā)現(xiàn)，華為已成為全球第三大研發(fā)投資者，僅在過去五年中，華為的研發(fā)水平就增長了225%（去年增長了31.2%），而在全球前十大研發(fā)投資者中，三星排名第四，英特爾排名第八。
表2:“2019年歐盟工業(yè)研發(fā)投資記分牌”上領(lǐng)先的半導體企業(yè)
（包含不同的國家/地區(qū)）
該行業(yè)也是高度資本密集的行業(yè);2019年，美國半導體行業(yè)的全球總資本支出(CapEx)總計319億美元，使該行業(yè)的資本支出占銷售的12.5%，僅次于美國的替代能源部門(盡管這可能是因為他們計算了安裝的終端使用客戶設(shè)備)。(參見圖8)。
圖8:美國工業(yè)的資本支出占銷售額的百分比
圖9:2019年各國（地區(qū)）總部企業(yè)占全球半導體行業(yè)資本支出的百分比（包含不同的國家和地區(qū)）
就全球資本投資而言，2019年，總部設(shè)在韓國的企業(yè)在該領(lǐng)域的投資占全球資本支出的31%，其次是美國公司的28%，中國臺灣公司的17%，中國大陸公司的10%，日本公司的5%，歐洲公司的4%。(參見圖9)。同樣，主要國家（地區(qū)）和公司之間存在著集中度：例如，2014年，只有三家公司（三星、英特爾和臺積電）占全球半導體工廠所有支出的60%。
全球半導體行業(yè)的研發(fā)和資本必須如此密集，因為半導體行業(yè)的創(chuàng)新需要越來越復雜的芯片設(shè)計，而且規(guī)模越來越小，特別是如果該行業(yè)要維持摩爾定律(Moore 's Law)的話。雖然在上個十年之初，有些人認為28納米閾值預示著摩爾定律的極限，但在過去十年中，在EUV光刻、蝕刻和薄膜沉積等材料工程上的突破已經(jīng)將當前的工業(yè)前沿帶到了5納米，而要達到3納米、2納米甚至1納米大小的集成電路所需的工藝也相當清晰可見。
然而，開發(fā)一個新的半導體設(shè)計或建立一個新的半導體工廠所需的專業(yè)知識、資本和規(guī)模是非常高的，而且在不斷增加。例如，將芯片設(shè)計從10納米級提高到7納米級的成本增加了1億多美元，從7納米級提高到5納米級的成本可能會再次增加近一倍，從3億美元增加到近5.5億美元。（見圖10。）
圖10：芯片開發(fā)進入下一階段的成本（百萬美元）
這還只是設(shè)計芯片的成本;實際上，為生產(chǎn)這些越來越小的芯片而建造的晶圓廠也在不斷增加。2019年，臺積電宣布將在亞利桑那州建造一座5納米晶圓廠，耗資120億美元;2017年，該公司曾宣布計劃在臺灣建造一座3納米晶圓廠，預計成本為200億美元。總的來說，截至2020年，建造一座14-16納米晶圓廠的平均成本估計為130億美元;10nm晶圓廠150億美元;7納米晶廠180億美元;以及價值200億美元的5納米晶廠。(參見圖11)。
圖11:建造一個新的代工/邏輯晶圓廠的平均成本(美元，數(shù)十億美元)
這反映了該行業(yè)競爭成本的不斷上升。20年前，近30家公司在技術(shù)前沿制造集成電路，而今天只有5家公司這樣做(英特爾、三星、臺積電、美光和海力士)。除了建造晶圓廠的成本之外，維護這些晶圓廠持續(xù)運行的費用也值得注意。一個先進晶圓廠10年的成本，包括初始投資和年運營成本，可高達400億美元。
幾乎每天都有證據(jù)表明，全球半導體行業(yè)的企業(yè)需要達到規(guī)模，才能有效競爭。例如，2019年11月，AMD以350億美元收購了Xilinx。此外，2020年的三大并購交易(涉及美國公司)都是半導體行業(yè)，包括英偉達以400億美元收購英國芯片設(shè)計公司Arm Holdings(受到日本軟庫支持)，以及ADI以200億美元收購Maxim Integrated products
推動持續(xù)創(chuàng)新的因素
半導體行業(yè)是一個以創(chuàng)新為基礎(chǔ)的行業(yè)，其特點是研發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)備的固定前期成本極高，但生產(chǎn)成本卻在不斷增加（即單個芯片以邊際成本從生產(chǎn)線下來）。此外，該行業(yè)基本上依賴于一代創(chuàng)新來為下一代的投資提供資金，因此10nm晶圓廠的利潤產(chǎn)生了投資7nm 晶圓廠的收入，這使得未來的5nm和3nm晶圓廠成為可能。事實上，主要半導體公司下一年的收入與研發(fā)支出之間存在很強的正相關(guān)關(guān)系（0.93）。這意味著，如果更具創(chuàng)新能力的半導體企業(yè)的銷售輸給創(chuàng)新性較弱的中國企業(yè)，它們平均會減少研發(fā)支出。這一動態(tài)非常重要，因為每一代尖端半導體技術(shù)的壽命只有兩到四年，之后就會被新技術(shù)取代。
因此，全球產(chǎn)業(yè)維持自身發(fā)展的能力取決于三個關(guān)鍵因素:公平進入全球市場、通過市場競爭減少人為的產(chǎn)能過剩和價格大幅下跌，以及最小化知識產(chǎn)權(quán)盜竊。如果這些因素不存在，那么全球創(chuàng)新就會受到阻礙。
首先，半導體公司需要進入大型全球市場，以便在一個大型全球市場上攤銷和收回成本。換句話說，進入更大的市場能讓它們更好地支付這些固定成本，這樣單位成本就會更低(推動更多消費)，而用于再投資(尤其是在研發(fā)方面)的收入就會更高。這就是為什么大多數(shù)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)的公司都是全球化的。如果他們能在20個國家而不是5個國家銷售，將銷售擴大到原來的4倍，那么他們的成本增加就遠遠少于原來的4倍。銷量越高，就可以投入更多資金來產(chǎn)生更多創(chuàng)新。這就解釋了為什么一項針對歐洲企業(yè)的研究發(fā)現(xiàn)，對于高科技企業(yè)來說，“隨著時間的推移，它們提高技術(shù)知識水平的能力取決于它們的規(guī)模:研發(fā)投資者規(guī)模越大，其技術(shù)進步速度就越快?！?/p>
鑒于研發(fā)和資本設(shè)備的固定成本顯著增長，進入全球市場的能力對半導體行業(yè)來說比以往任何時候都更重要。這意味著降低貿(mào)易壁壘的政策對半導體創(chuàng)新尤為重要。缺乏一體化的全球市場可能會對固定成本與邊際成本比率較低的傳統(tǒng)行業(yè)造成相對較小的傷害，如玩具、鞋類和鋼鐵。但在半導體等以創(chuàng)新為基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)中，市場壁壘對全球創(chuàng)新造成了嚴重損害。進入全球市場對于大規(guī)模生產(chǎn)也是至關(guān)重要的，當學習效應對行業(yè)如此重要時，大規(guī)模生產(chǎn)至關(guān)重要。例如，一項研究發(fā)現(xiàn)，平均“學習率”約為20%，這意味著累積產(chǎn)量每增加一倍，每單位半導體生產(chǎn)成本就下降20%。
從這個意義上說，中國在進入其市場方面的行動將在該行業(yè)的創(chuàng)新中發(fā)揮關(guān)鍵作用。根據(jù)一項研究，中國現(xiàn)在占全球半導體消費的60%。根據(jù)《國際商業(yè)戰(zhàn)略》，2019年，中國半導體行業(yè)銷售額為2122億美元，北美為595億美元，世界其他地區(qū)為488億美元，歐洲為418億美元，日本為387億美元。(參見圖12)。
圖12:2019年按地區(qū)劃分的全球半導體消費（十億）
顯然，中國市場相當重要，在許多美國半導體公司的收入中占了相當大的比例。例如，2018年前4個月，中國市場占高通收入的60%以上，占美光收入的50%以上，占博通收入的45%左右，占德州儀器收入的40%以上。(參見圖13)。2018年，約36%的美國半導體公司收入，即750億美元，來自對中國的銷售。公平、非歧視地進入中國市場，為企業(yè)提供了賺取收入的機會，這些收入可以再投資于未來幾代的創(chuàng)新。
圖13:美國半導體公司在中國的營收(2018年前4個月)
第二，當企業(yè)面臨過度的、非市場競爭時，創(chuàng)新就會減少。當政府投入數(shù)千億美元的補貼時，就會出現(xiàn)這種情況，這不公平地使那些試圖以真正市場化的條件競爭的企業(yè)處于不利地位。換句話說，如果領(lǐng)先的公司不能保證他們能獲得合理的、經(jīng)風險調(diào)整的投資回報率——這一點受到一些政府的質(zhì)疑，比如中國投入大量資金創(chuàng)建國內(nèi)半導體產(chǎn)業(yè)——那么領(lǐng)先的公司將不得不削減他們的研發(fā)和資本支出。
由于該行業(yè)從根本上依賴于知識、技術(shù)和專有技術(shù)，一個擁有強大知識產(chǎn)權(quán)(包括專利、商業(yè)秘密和商標)的國際體系對于為投入大量研發(fā)提供足夠的激勵至關(guān)重要。例如，制造DRAM芯片涉及1000多個步驟。如果公司不能保留和保護昂貴的知識產(chǎn)權(quán)，而這些知識產(chǎn)權(quán)又非法地流向競爭對手，他們的收入就會下降，從而減少投資。
最后，如前所述，該行業(yè)依賴開放和平穩(wěn)流動的全球半導體價值鏈，使世界各地的各種參與者對半導體研發(fā)、創(chuàng)新和生產(chǎn)做出貢獻。然而，正因為如此，正如經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)在其報告“衡量國際市場的扭曲:半導體價值鏈”中指出的那樣，這種廣泛的行業(yè)國際化“意味著任何貿(mào)易扭曲都會被放大，并在許多公司和市場之間傳播?！?/p>
來源 | 半導體行業(yè)觀察
