美国半导体制造业:工业趋势和全球竞争

简介
半导体是以硅或锗为基础的微型电子器件,在从咖啡壶到宇宙飞船的数百万产品中提供数据处理能力。美国政府在半导体技术的发展中发挥了重要作用,而且美国国内的研究生产一直是美国国会强烈关注的事情。
总部设立在美国的半导体公司在2015年约占世界半导体销售额的一半。1但是,总部设立在美国的生产商则面临着来自总部设立在韩国、日本和台湾的公司的激烈竞争;还有,中国政府已经将在半导体的全球领先确定为国家重点。再而,美国占全球半导体生产力的份额逐渐减少,是因为制造商会在可以获得大量补贴或在靠近比如电子产品制造业等用户工业消费者的地点建立工厂。在2015年7月,关注该工业竞争力的国会议员组成了半导体核心小组,以向在其他目标中的半导体研究活动增加提供联邦资助。
半导体工业基础
半导体芯片(也可以简单称作“半导体”或“芯片”)是一种微型电子装置(一般小于一张邮票),由存储、移动和处理数据的几十亿个元件组成。这些功能通过半导体材料的独特性能才得以成为可能,例如硅和锗,可以实现对电流的精确控制。
半导体是信息时代的使能技术。半导体可以让计算机运行软件应用,比如电子邮件、网络浏览器以及文字处理和制表程序,并存储文件、图像、视频、音乐和其他数据。半导体也可以提供“大脑”存储,和其他无数产品的数据交流能力,从手机和游戏系统到飞机和工业机器到军用设备和武器。甚至许多机器系统中现有的产品现在严重依赖于芯片基础型电子器件:一家汽车制造商声称其部分车型组装了多达6000的半导体。2还有一名汽车软件专家估计,豪华汽车可以包含一亿条芯片用来控制车辆的软件代码(指令)。3
半导体历史和技术挑战
军事应用曾是半导体发明的主要驱动力。早期的计算机依赖数千个真空管、晶体二极管、继电器、电阻器和电容器来进行简单的计算。联邦政府、学术界和美国工业进行了努力,以减少和简化这些器件的数目。晶体管是一种能够管理电流的简单半导体器件。在1958年晶体管发明之后是集成电路(IC)的发展。IC可以让数千个电阻器、电容器、电感器和晶体管“成图”并在单块半导体材料上连接,从而可以作为单一集成装置发挥功能。除了资助为半导体技术早期发展做出贡献的学术和工业研究,联邦政府通过多种军事、航空和民事应用采购在该技术的商业化中发挥了核心作用。
英特尔公司的前任CEO和共同创立人Gordon Moore首次形容道,半导体工业具有内部产品开发的快速周期。摩尔定律,实际上是对芯片速度的发展步伐和成本减少的观察,几十年来一直都很准确。摩尔定律表明,密集集成电路中晶体管的数目约每过一年半至两年就会翻倍,使得半导体更小、更快和更便宜。4摩尔定律的作用在短寿命周期产品中较为明显,需要半导体制造商保持高水平的研究和投入支出。该工业的一项主要挑战是半导体存货和技术会被快速淘汰,如果生产商们未能改进设计,用卖不掉的存货替换现有产品,那么就会给自己留下严重的财务问题。
半导体制造商们面临的重要问题是不论基本的物理限制,不久都将会难以通过经济的方式在硅装置书面放置更多的晶体管。5如果这个经证实为实际情况——摩尔定律的持续有效性将会受到热议——那么制造商将会需要寻找其他的方法改进半导体。6对计算新方法(例如量子计算、光学计算和神经形态(类似大脑等)计算)的研究正在进行中,理论上来说,这些方法可以极大地超越半导体技术的存储、处理和传输能力。7不过,这些方法在实现之前还面临着持续的技术障碍。
全球半导体工业
半导体工业一般具有产品供应和需求波动大的特征,严重依赖于全球经济力量。8总部设立在美国的公司占有全球市场的最大份额,按照销售额衡量,约占50%。92015年按照收益分类的二十个最大半导体公司中的半数总部设立在美国:英特尔、高通、美光科技公司、德州仪器、博通、苹果、SanDisk公司、NVIDIA、超微和其他半导体公司。10其他领导公司则把总部设立在韩国、日本、台湾和欧洲。在前二十名中没有半导体公司把总部设立在中国。
仅有少数公司有销售量用于集成装置制造商(IDM)运营其自身的制造工厂(称之为晶圆代工厂)。11其他的芯片公司则“没有代工厂”,意味着这些公司设计和营销半导体,但是将生产承包给按订单生产半导体的“晶圆代工厂”。台湾半导体制造公司(TSMC)是一家总部设立在台湾的公司,运营着世界上最大的晶圆代工厂。无代工厂的半导体公司一般比集成运营的半导体制造商们享有更高和更少的挥发性利润率。12和利用承包晶圆代工厂相关的潜在风险包括可达到的产量、生产及时性和质量控制。
半导体工业销售
根据世界半导体贸易统计(WSTS)的数字,世界范围内的半导体销售额在2015年达到了3350亿美元,超过2012年达15.0%。13在同一阶段,总部设立在美国的半导体制造商们的销售额增加了14.6%。根据半导体行业协会(SIA),半导体全球销售额在过去的二十年里,以综合年率9.5%增长。14
在近些年,总部设立在美国的公司的半导体销售额几乎已经占了全世界半导体销售额的一半(见图1)。在2015年,总部设立在美国的半导体公司的销售总额有所缩减,并且其在全球市场的份额下降了约两个百分点。在2015年,总部设立在美国的公司通报销售额为1660亿美元。15WSTS预测全球半导体工业销售额会在2017年适度增长至3470亿美元(+4%)。16根据半导体行业的专家透露,美国市场份额在2017年似乎将会保持在50%左右。

图1、全球和美国半导体工业销售额

来源:半导体行业协会(SIA),《2014、2015和2016美国半导体工业概况》。
主要工业部门
主要按照半导体的功能,将半导体分为几个主要的产品小组。其中一些产品具有广泛的功能;其他产品则为特定用途而设计。根据SIA,直接镶嵌在半导体芯片表面的集成电路占了工业销售的绝大部分(在2015年为82%)。市场的剩余18%则由光电子、感应器和分立器件(O-S-D)市场组成。光电子和感应器主要运用于生成或感应光,例如,交通灯或照相机,而分立器件则运用到电子设备中控制电流。17
在集成电路市场,2015年的四个最大部门为:
1.逻辑装置。逻辑装置用于计算机、通信设备和消费电子中的数据互换和操作。18逻辑装置是按销售额划分的最大类别,占了半导体市场总额的27%。
2.存储装置。存储装置储存信息。这个部门包括动态随机存取存储器(DRAM),是一种用于电脑和闪存中临时信息存储的常见便宜存储,可以在没有电源的情况下保留数据。存储装置占了半导体市场销售额的23%。
3.微处理器。微处理器执行软件指令,以完成类似运行文字处理程序或视频游戏等广泛范围的任务。微处理器占了半导体销售额的18%。
4.模拟装置。模拟装置包括模拟信号处理技术、数据转换器、扩音器以及广播频率集成电路。例如,这些装置可以像把乐曲录音转换至光盘中的乐曲录音一样将模拟信号转变成数字信号。模拟装置产品占半导体工业销售额约13%。19
许多制造商专门从事特定类型的半导体。举个例子,韩国制造商三星和韩国海力士和总部设立在美国的镁光总共占了全球DRAM销售额的90%。20对DRAM市场的严重依赖性已经成为这些公司的挑战,因为需求减弱或产能过剩有时已经造成了价格的急剧下降。21总部设立在美国的英特尔公司,是按销售额划分的最大半导体制造商,高度依赖于向个人电脑工业供应微处理器。微处理器更加难以制造,技术更加先进,而且比其他半导体产品花费更多。虽然可以向英特尔提供竞争方面的庇护,但是尽管如此,该公司还会受到个人电脑全球需求减弱的影响。22
多元半导体(MCO)代表半导体工业的快速增长部门。这些装置在单一器件中包含两个半导体,在成品中占用更少空间并使用更少电源。MCO通常用于智能手机、平板电脑和汽车制动、转向和安全气囊系统。虽然SIA没有追踪这一市场的销售数据,但是美国国际贸易委员会(USITC)估计,MCO占全球半导体工业销售额介于1.5%和3.0%。23随着终端使用生产商使用MCO生产能源消耗更少的更小、更亮和更快的器件,预计需求在近些年会较大增长。像英特尔、德州仪器、高通和博通等总部设立在美国的公司在这个市场部门为引导者。
少数半导体公司主要为单一买家生产。例如,Kokomo半导体,现在是通用汽车(GM)零件控股公司的一部分,在印第安纳州运营一家较小的工厂,为GM生产消费集成电路。24根据行业专家,通过为特定市场利基生产专业性芯片或为其消费者开发新型应用,小型半导体公司可以和大型半导体公司有效竞争。25

半导体制造业
半导体的生产非常复杂,需要高水准的自动化。随着半导体小型化和在晶体管安装密集化,制造的复杂性也有所增加。
图2描述了半导体生产过程的简易化图表。该过程有三个独特组成:
1.设计;
2.前端制造,在此过程中,“晶圆代工厂”可以在硅晶片上面打造出微型电路;26以及
3.后端测试。装配和包装,在此过程中,晶片被切片成为单个半导体,用塑料包装,并且通过了质量控制流程。

由计算机工程师完成的设计工作的主要部分现在发生在美国。27随后设计结果在使用公司生产的设备进行的一系列超过250个影像和化学处理步骤中被放置到硅材料或其他材料上面,例如应用材料、ASML控股和Lam研究。28这种前端制造过程一般花费约两个月的时间。29大约87%世界先进制造产能现在位于美国外围(见图1)。后端生产就是芯片装配成半导体成品元件和检测瑕疵的过程。该制造过程的这个阶段劳动力最密集,并且通常在中国和马来西亚等劳动力成本相对低于美国、日本和欧洲的国家完成。最后制造阶段涉及将芯片安装成消费商品。

图2、全球半导体生产典型模式

来源:CRS,由SIA所提供的信息修改而来。
注:本图解仅作说明用途。记号循环并不一定反应生产、服务或销售的具体地点。
美国半导体制造工业
在全国范围内,在2013年有820家企业参与到半导体和相关器件的制造。30按增加值衡量的话,2014年美国半导体工业对美国经济做出的贡献为272亿美元,大约占美国制造业增加值的百分之一。31因为生产商可以继续以更低的价格制造包含更多功能、更加强大的芯片,以及半导体的价格随着时间持续跌落,芯片价格下降仍然为半导体制造商的挑战。比如,根据美国劳工统计局(BLS)生产商价格指标,这是按工业分类的价格变化衡量标准,出于质量和性能调整,半导体价格在2005年和2015年之间下降了46%。32因此,为了保持或增加自身的收益,芯片生产商必须为其产品找到新型市场。
研发支出
因为创新的持续压力,半导体制造商们在研发方面投入巨资。根据SIA,全行业的研发投资率占销售额的15%-20%。33根据国家科学基金会(NSF)的最新可获取统计结果,在2012年,美国半导体制造商在研发方面投入了其国内销售额的19.4%,高于其他大型工业部门,包括制药医疗和计算机以及电子产品。34通过对比,所有制造工业在2012年的研发强度为3.6%。根据SIA对研发支出的分析,半导体公司进行的研发一直呈较高的趋势,不论年销售周期。35
在2015年12月,当国会实现研究实验税收抵免(泛指研发税收抵免)永久有效,而不像其在过去几十年内的非阶段性过期时,该行业内长期存在的税收问题得以解决。36半导体工业支持者宣称,使得研发税收抵免将会鼓励半导体公司(和其他制造商)计划持续和长期的研发工作。37
就业
根据BLS,2015年美国半导体和相关器件制造工业雇佣了180700名工人,从2001年的292100名工人减少了38%。38这占了美国2015年制造业总就业的1.5%。2015年半导体制造业的劳工平均工资为138100美元,超过美国其他制造业工人平均工资(64305美元)的两倍。39这些就业和工资数据不包括行业内所有工作人员,因为BLS将无车间的半导体公司的职工计作批发贸易工人,而不是制造业工人。40
在2015年,将近四分之一的美国国内所有半导体制造业工作是在加利福尼亚。占有美国半导体制造业就业总数大量份额的其他州包括德克萨斯州、俄勒冈州、亚利桑那州、马萨诸塞州、爱达荷州和纽约。41
半导体制造地点
半导体制造业的资本高度密集。为了生产每一代新型芯片,和为了从较大晶圆提供的成本优势中获利,制造商们必须投资新型设施设备,并且继续投资现有设施设备。一家可以制作能够实现最大生产效益的300毫米(12英寸)晶圆的最先进工厂的成本多达100亿美元。42在2011年到2014年之间,美国调查局报告,行业内新型工厂和设备的国内开支从2013年较低的170亿美元到2014年较高的220亿美元不等。43
在2015年,全球大约四分之三的300毫米半导体制造产能位于韩国、台湾、日本和中国。通过对比,2015年北美(主要是美国)约占全球300毫米晶圆制造产能的13%(见表1)。44
表1、全球晶圆制造产能

在2012年的一份报告中,美国国家科学院注意到,位于美国的全球制造总产能的份额从1980年的42%下降至1990年的30%,再到2007年的16%。根据工业专家,这些变化后面的理由是亚洲半导体公司和美国公司的海外投资的快速膨胀。45

总部设立在美国的半导体制造公司有超过半数的前端晶圆加工操作在美国进行。表2列出了能够生产300毫米硅晶圆的美国半导体晶圆代工厂。根据近期的一项研究,半导体制造商的选址决定以税收优惠、工程和技术人才供应、水源质量、公共事业设施的可靠性、环境许可程序和其他规定、雇员生活成本以及知识产权的合法保护等为基础。46

表2、2015位于美国的300毫米(12英寸)半导体制造晶圆代工厂

英特尔有70%的晶圆制造是在美国、由位于亚利桑那州、新墨西哥州和俄勒冈州的工厂进行。47镁光是唯一在美国拥有工厂、工厂位于爱达荷州、犹他州和弗吉尼亚州的DRAM制造商。48德州仪器在缅因州和德州拥有制造工厂。49格罗方德,是一家总部设在加利福尼亚州但是由阿布扎比酋长国控制的公司,已经获得了先前由超微和IBM公司所拥有的美国车间。所有这些公司也在国外进行生产。
多数新型半导体制造产能位于美国外围。根据国际半导体设备材料产业协会(SEMI)——代表半导体和平面显示器设备和材料制造商们的工业贸易小组,于2015年和2017年之间计划将在全球建设的所有规模的36项新车间工程中,五项计划在美国,相对而言有14项是在中国。其他工程则将会在东南亚(6)、台湾(6)、日本(2)、欧洲(2)和韩国(1)。50
国际贸易
在2015年,按总部设立在美国的公司分类,外国市场占半导体销售额的83%,反映出一个事实,比如计算机和消费电子等许多终端用户工业主要位于亚洲。51美国制造半导体和相关装置的出口总额在2015年登记为418亿美元,比前一年下降了2%。美元增值已经使得美国工厂的商品在国际市场更加昂贵,有可能导致市场份额的丢失。52
墨西哥、中国、马来西亚、韩国和台湾在2015年位列美国出口市场前五名。这些国家和地区是消费电子、通信设备和信息交流技术的大型生产商,这些产品全部高度依赖半导体作为重要元件。根据美国国际贸易委员会(USITC)的数据,在2015年,半导体代表了按价值分类的美国高科技出口前列和按价值分类的第四大整体出口,位于民用飞机、石油加工产品和手机之后。53
2015年的半导体进口总额为417亿美元,超过前一年3.3%。马来西亚、中国、台湾、日本和韩国位列美国进口来源前五名。在美国进口半导体的前五个国家中,马来西亚贡献最多,在2015年占了所有进口半导体超过30%。马来西亚是半导体包装、装配和检测的重要海外地点,包括像英特尔这样的总部设在美国的半导体公司。54在2015年,13%的美国半导体进口来自于中国,比2009年增长了9%。
将近三分之一的美国半导体进口会再出口。这体现了事实,许多电子产品具有复杂的国际供应链;因而,半导体产品在被组合成最终产品之前可能要跨越多条边界。半导体工业支持跨太平洋伙伴关系(TPP)协议的通道与欧洲正在进行的跨大西洋贸易和投资伙伴关系(TTIP)谈判圆满结束。55在谈判的数年后,半导体工业的近期成功则是世界贸易组织(WTO)信息技术协议(ITA)的扩充,其为聚焦于削减信息技术商品贸易关税的多边协议。56从2016年7月1日开始,扩充后的ITA将会立即取消部分关税,并且截止到2024年1月,逐步取消对先前1996ITA中未包含的201信息技术产品的其他部分关税。57新增产品适用于下一代多元半导体(MCO)。MCO目前面临的全球关税率通常介于2.5%至8.0%之间,而且在部分国家高达25.0%。58MCO可以组装到一定范围的电子中,例如智能手机、平板电脑、游戏机、电子阅读器、胎压监测器和手持投影仪等。ITA参与国家承诺在2018年再次召开,考虑更新协议以包括其他产品和尽可能在信息技术领域解决无关税壁垒。59有关其他信息,可以参见CRS Insight IN10331,Rachel F. Fefer执笔的《WTO信息技术协议目标扩大十二月总结》。
知识产权
按照所获得的专利数目衡量,主要半导体生产商通常位于美国企业专利接收方的前列。根据来自于美国专利商标局的公司获得专利数据,在2015年,这个清单包括高通(2900)、英特尔(2046)和博通(1086)。60半导体工业支持2016年3月16日颁布的2015商业秘密保护法案(DTSA)(P.L.114-153)。该法创建了对盗用商业秘密行为的联邦个人权利(例如,在个人通过不正当途径获得商业秘密的情况下,包括偷窃、行贿或间谍)。61更多有关于商业秘密保护的信息,参见CRS报告R43714,Brian T. Yeh执笔的《商业秘密保护:纵览当前法律法规》。
国会已经在国外假冒商品防治法(H.R.236)中处理了表明或销售为产品品牌版本对应的真实物品的假冒产品、物品。由众议员Ted Poe引进的法案将允许海关人员分享进口“重要”商品和知识产权(IPR)持有人的信息,其版权和商标权可能会受到进口的侵害。62在这种情况下,则可将重要商品定义为,假冒品会对消费者的健康、安全或福利或国家安全造成危险的商品,包括半导体。类似立法已经在之前的会议中引进。半导体工业声称,海关和边境保护(CBP)并没有充分保护其免于假冒商品进口增长的IPR,而且CBP和私营部门合作确定并执行IPR违规的工作还不够充分。

原文始发于:美国半导体制造业:工业趋势和全球竞争


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