在新時(shí)代強(qiáng)化全球集成電路供應(yīng)鏈（3）

半導(dǎo)體是高度專業(yè)化的元器件，為電子設(shè)備提供處理、存儲和傳輸數(shù)據(jù)的基本功能。今天的半導(dǎo)體大多是集成電路，也被稱為“芯片”。芯片是一組微型電子電路，由有源分立器件（晶體管、二極管）、無源器件（電容器、電阻器）以及它們之間的互連組成，分層在半導(dǎo)體材料（通常是硅）的薄片上?，F(xiàn)代的芯片很小，在一個(gè)只有幾平方毫米的區(qū)域里封裝了數(shù)十億個(gè)電子元件。

雖然行業(yè)分類法通常描述30多種產(chǎn)品類別，但半導(dǎo)體可分為三大類：

1．邏輯器件（占行業(yè)收入的42%）

這些是在二進(jìn)制代碼（0和1）上運(yùn)行的集成電路，作為計(jì)算的基本構(gòu)建塊或“大腦”：

微處理器是諸如中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）和應(yīng)用處理器（AP）等邏輯產(chǎn)品，它們處理存儲在內(nèi)存設(shè)備上的固定指令以執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算操作。應(yīng)用程序包括移動(dòng)電話、個(gè)人電腦、服務(wù)器、人工智能系統(tǒng)和超級計(jì)算機(jī)的處理器。

通用邏輯產(chǎn)品，如現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）不包含任何預(yù)先固定的指令，允許用戶編程自定義邏輯操作。

微控制器（MCU）是單芯片上的小型計(jì)算機(jī)。微控制器包含一個(gè)或多個(gè)處理器核心以及存儲器和可編程輸入/輸出外圍設(shè)備。MCU在汽車、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備或家用電器等無數(shù)電子產(chǎn)品中執(zhí)行基本的計(jì)算任務(wù)。

連接產(chǎn)品，如蜂窩調(diào)制解調(diào)器、WiFi或藍(lán)牙芯片或以太網(wǎng)控制器，允許電子設(shè)備連接到無線或有線網(wǎng)絡(luò)以傳輸或接收數(shù)據(jù)。

2．內(nèi)存（占行業(yè)收入的26%）

這些半導(dǎo)體用于存儲執(zhí)行任何計(jì)算所需的信息。計(jì)算機(jī)處理存儲在內(nèi)存中的信息，內(nèi)存由各種數(shù)據(jù)存儲或存儲設(shè)備組成。目前最常用的兩種半導(dǎo)體存儲器是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）和NAND存儲器：

DRAM用于存儲計(jì)算機(jī)處理器運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)或程序代碼。它通常存在于個(gè)人電腦（PC）和服務(wù)器中。智能手機(jī)也在不斷增加所需的DRAM內(nèi)容，高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等汽車電子應(yīng)用對DRAM的需求也在不斷增加。

NAND是最常見的閃存類型。與DRAM不同的是，它不需要電源來保留數(shù)據(jù)，所以它被用于永久存儲。典型應(yīng)用包括用作筆記本電腦硬盤驅(qū)動(dòng)器的固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（SSD）或用于便攜式設(shè)備的安全數(shù)字（SD）卡。

3. 分立、模擬器件和其他（DAO）（占行業(yè)收入的32%）

這些半導(dǎo)體傳輸、接收和轉(zhuǎn)換處理溫度和電壓等連續(xù)參數(shù)的信息：

分立器件包括二極管和晶體管，設(shè)計(jì)用于執(zhí)行單一電氣功能。

模擬器件包括電壓調(diào)節(jié)器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，可將來自語音等源的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這一類還包括任何類型的電子設(shè)備中的電源管理集成電路，以及使智能手機(jī)能夠接收和處理來自蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站的無線電信號的射頻（RF）半導(dǎo)體。

其他產(chǎn)品還包括光電器件，如用于感測相機(jī)光線的光學(xué)傳感器，以及各種各樣的非光學(xué)傳感器和執(zhí)行器，這些傳感器和執(zhí)行器可以在各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中找到。

半導(dǎo)體應(yīng)用于所有類型的電子設(shè)備，跨越經(jīng)濟(jì)的主要領(lǐng)域（圖2）。每個(gè)應(yīng)用市場都需要上述三大類半導(dǎo)體。例如，移動(dòng)電話的DAO內(nèi)容（對于蜂窩連接、照相機(jī)和功率管理等功能來說是必不可少的）實(shí)際上與邏輯內(nèi)容（包括隨著每一代新電話的出現(xiàn)而提高計(jì)算能力的微處理器）和內(nèi)存（用于在設(shè)備上存儲數(shù)字內(nèi)容）一樣多。全球約65%的半導(dǎo)體收入來自于跨多個(gè)應(yīng)用程序使用的通用組件。

對半導(dǎo)體的需求是高度全球化的。不同地區(qū)的半導(dǎo)體需求占全球半導(dǎo)體需求的份額不同，這取決于需求來源地的定義。雖然半導(dǎo)體通常由電子設(shè)備制造商采購，以制造其產(chǎn)品，但最終半導(dǎo)體需求是由購買這些設(shè)備的最終用戶驅(qū)動(dòng)的。這就是為什么，從地理角度來看，有三種不同的方法來衡量半導(dǎo)體需求的來源，并參考全球電子產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的替代點(diǎn)：

A．電子設(shè)備制造商總部所在地。這些公司是顧客在芯片公司中，購買半導(dǎo)體并使用到他們的設(shè)備中。電子設(shè)備制造商-通常被稱為原始設(shè)備制造商（OEM）-通常設(shè)計(jì)他們的產(chǎn)品，并決定使用哪個(gè)供應(yīng)商的組件。例如，在這種方法下，一家總部位于美國的公司開發(fā)的智能手機(jī)中的半導(dǎo)體將按美國需求計(jì)算，即使該產(chǎn)品可能是在另一個(gè)國家實(shí)際生產(chǎn)的。

B．設(shè)備制造/組裝地點(diǎn)：原始設(shè)備制造商通常不制造他們的設(shè)備位于總部所在國或設(shè)計(jì)設(shè)備的工程團(tuán)隊(duì)所在國。相反，這些設(shè)備通常由位于不同國家或許多不同國家的制造廠組裝，通常由通常稱為原始設(shè)備制造商（ODM）或電子制造服務(wù)（EMS）的其他公司組裝。這是成品半導(dǎo)體需要實(shí)際運(yùn)送到的地點(diǎn)。例如，采用這種方法，一家美國公司設(shè)計(jì)的智能手機(jī)中的芯片，實(shí)際上是一家臺灣承包商在中國大陸的工廠制造的，將被計(jì)算為中國的需求。

C．購買電子設(shè)備的最終用戶的位置?？紤]到半導(dǎo)體是元器件，半導(dǎo)體需求最終是由向最終用戶（包括消費(fèi)者和企業(yè)）銷售電子設(shè)備驅(qū)動(dòng)的。在我們的例子中，由一家美國公司設(shè)計(jì)但在中國組裝的智能手機(jī)所含芯片的價(jià)值將分布在全球所有這些智能手機(jī)銷售給消費(fèi)者的國家。

圖表3顯示了全球半導(dǎo)體需求的地理分布，使用了這三種不同的視角：不同國家或地區(qū)的份額因標(biāo)準(zhǔn)不同而有很大差異。但這三種可能的方法都不被認(rèn)為是“正確”的答案——它們只是反映了國家/地區(qū)在更廣泛的電子行業(yè)中扮演的不同角色。

圖3

考慮到電子設(shè)備制造商的位置（標(biāo)準(zhǔn)A），美國仍占全球半導(dǎo)體總需求的33%，是所有地區(qū)參與率最高的地區(qū)。

2019年，美國企業(yè)合計(jì)占比在大型個(gè)人電腦、信息和通信基礎(chǔ)設(shè)施（包括數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）應(yīng)用程序市場占有約45%的市場份額，在智能手機(jī)和工業(yè)設(shè)備市場占有30%的市場份額。在過去10年里，中國的參與度增加了兩倍，現(xiàn)在已經(jīng)成為第二個(gè)明顯的地區(qū)。這個(gè)中國作為半導(dǎo)體需求的主要來源國的崛起，是由其強(qiáng)大的市場力量推動(dòng)的智能手機(jī)、個(gè)人電腦和消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域的本土公司：華為、聯(lián)想、小米和Oppo/Vivo等公司不僅在中國國內(nèi)市場銷售產(chǎn)品，而且是其他市場的主要競爭對手。

根據(jù)終端電子設(shè)備制造/裝配位置標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)B），中國是排名第一的地區(qū)，反映了中國在電子制造業(yè)，特別是智能手機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品方面的實(shí)力。作為全球主要的制造業(yè)中心，中國是2019年全球芯片銷售總額的35%左右的目的地。但許多通過中國市場進(jìn)入中國的芯片這一中間步驟最終不會作為中國最終用戶購買的產(chǎn)品而被消費(fèi)，而是作為中國制造設(shè)備的零部件再運(yùn)往海外，出口到其他國家。

聚焦于設(shè)備有效銷售給最終用戶的地方（標(biāo)準(zhǔn)C）顯示了半導(dǎo)體需求最終來自何處。根據(jù)不同應(yīng)用類型的可用市場數(shù)據(jù)，我們估計(jì)中國消費(fèi)者和企業(yè)購買的設(shè)備中包含的半導(dǎo)體含量價(jià)值約占2019年全球半導(dǎo)體收入的24%，幾乎與美國（25%）持平，比歐洲（20%）高出幾個(gè)百分點(diǎn)。然而，中國在全球半導(dǎo)體消費(fèi)中所占的份額預(yù)計(jì)在未來5年內(nèi)將繼續(xù)增加，因?yàn)榉治鰩燁A(yù)測，在大多數(shù)電子設(shè)備類別中，中國國內(nèi)市場的增長將超過世界其他地區(qū)平均4-5個(gè)百分點(diǎn)。

圖4

競爭前研究的目的是確定基礎(chǔ)材料和化學(xué)工藝，以在設(shè)計(jì)架構(gòu)和制造技術(shù)方面進(jìn)行創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力和效率的下一次商業(yè)飛躍。它通常是科學(xué)和工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，其成果通常在科學(xué)界廣泛發(fā)表和分享，區(qū)別于專利研究和工業(yè)開發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。競爭前基礎(chǔ)研究與行業(yè)研發(fā)在質(zhì)量上是不同的：這兩種類型是互補(bǔ)的，而不是冗余的。事實(shí)上，競爭前研究已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)可以刺激和吸引產(chǎn)業(yè)研發(fā)。

從一種新的技術(shù)方法在研究論文中被引入到大規(guī)模商業(yè)制造的平均時(shí)間估計(jì)約為10-15年，但這可能比實(shí)現(xiàn)當(dāng)前前沿技術(shù)的科學(xué)突破要長得多。例如，極端紫外線（EUV）技術(shù)是最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)，從早期的概念演示到在晶圓廠的商業(yè)化實(shí)施，幾乎用了40年時(shí)間。

雖然沒有半導(dǎo)體行業(yè)的可用數(shù)據(jù)，但在大多數(shù)領(lǐng)先國家，基礎(chǔ)研究通常占總體研發(fā)投資的15-20%。例如，在美國，隨著時(shí)間的推移，它一直穩(wěn)定在研發(fā)總量的16-19%?；A(chǔ)研究由來自私營公司、大學(xué)、政府資助的國家實(shí)驗(yàn)室和其他獨(dú)立研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家組成的全球網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，這些機(jī)構(gòu)在聯(lián)合研究工作中進(jìn)行合作。

特別是，政府在推進(jìn)基礎(chǔ)研究方面發(fā)揮著非常重要的作用。美國半導(dǎo)體協(xié)會（SIA）先前對聯(lián)邦研發(fā)的一項(xiàng)研究確定了8項(xiàng)重大的半導(dǎo)體技術(shù)突破，這些突破來自政府資助的研究項(xiàng)目。例如，砷化鎵（GaAs）晶體管使智能手機(jī)能夠建立到蜂窩塔的無線通信鏈路，是在20世紀(jì)80年代末國防部的微波和毫米波集成電路（MIMIC）計(jì)劃中發(fā)明的。

對美國所有行業(yè)的研發(fā)總投資進(jìn)行分析，可以對競爭前研究的規(guī)模和獨(dú)特特征提供一些見解。根據(jù)美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation）收集的數(shù)據(jù)，美國聯(lián)邦政府是基礎(chǔ)研究的主要貢獻(xiàn)者，2018年的投資占42%。另外30%的資金來自州政府、大學(xué)和其他非盈利研究機(jī)構(gòu)，其余28%來自公司。相比之下，私營企業(yè)在應(yīng)用研究和開發(fā)領(lǐng)域的份額接近80%，而應(yīng)用研究和開發(fā)通常是在基礎(chǔ)研究取得突破之后進(jìn)行的。

圖5

美國對半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的資助似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于應(yīng)用研發(fā)的增長。上述SIA研究發(fā)現(xiàn)，2018年美國聯(lián)邦政府對半導(dǎo)體相關(guān)研發(fā)（包括基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和開發(fā)）的總體投資僅占美國半導(dǎo)體研發(fā)總量的13%。這一比例大大低于聯(lián)邦政府資金在美國所有部門研發(fā)支出總額中所占的22%。事實(shí)上，在過去40年中，盡管美國私人對半導(dǎo)體研發(fā)的投資占GDP的比例增長了近10倍，但聯(lián)邦政府的投資卻一直持平。鑒于美國目前在整個(gè)半導(dǎo)體價(jià)值鏈中研發(fā)密集度最高的活動(dòng)中所起的主導(dǎo)作用，基礎(chǔ)研究資金缺口的影響可能超出美國企業(yè)的相對競爭力，并對整個(gè)行業(yè)保持其歷史創(chuàng)新速度的能力造成風(fēng)險(xiǎn)。

相比之下，中國正在投入大量資金進(jìn)行競爭前研究，作為其努力建設(shè)一個(gè)強(qiáng)大的國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一部分。在過去的20年里，中國一直在縮小與美國在總體研發(fā)支出上的差距。根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）的數(shù)據(jù)，2018年，按絕對值計(jì)算，中國是全球第二大研發(fā)支出國：按購買力平價(jià)計(jì)算，中國的研發(fā)投資總額僅比美國低5%。然而，目前中國研發(fā)支出中只有約5-6%用于基礎(chǔ)研究，大大低于所有其他研發(fā)投資水平高的國家。

中國3月份宣布的新的2021-25年五年計(jì)劃明確將推進(jìn)基礎(chǔ)研究列為一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)先事項(xiàng)。到2021年，中央政府的基礎(chǔ)研究支出將增長11%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于總體研發(fā)投資計(jì)劃的7%和GDP增長6%的目標(biāo)。在資金和資源方面，半導(dǎo)體被列為七個(gè)優(yōu)先領(lǐng)域之一。

參與設(shè)計(jì)的公司開發(fā)納米級集成電路，如計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)連接和電源管理。設(shè)計(jì)依賴于高度先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件和可重用的體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建塊（“IP核”），在某些情況下還依賴于專業(yè)技術(shù)供應(yīng)商提供的外包芯片設(shè)計(jì)服務(wù)。

設(shè)計(jì)活動(dòng)主要是知識和技能密集型的：它占整個(gè)工業(yè)研發(fā)的65%，占增值的53%。事實(shí)上，專注于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的公司通常會將其年收入的12%至20%投資于研發(fā)。開發(fā)現(xiàn)代復(fù)雜芯片，例如為當(dāng)今智能手機(jī)提供動(dòng)力的“片上系統(tǒng)”（SoC）處理器，需要數(shù)百名工程師組成的龐大團(tuán)隊(duì)數(shù)年的努力，有時(shí)還需要利用外部IP和設(shè)計(jì)支持服務(wù)。隨著芯片的日益復(fù)雜，開發(fā)成本迅速上升。一種新型的先進(jìn)系統(tǒng)——旗艦智能手機(jī)芯片上系統(tǒng)的開發(fā)總成本，包括處理音頻、視頻或提供高速無線連接所需的專門模塊，可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10億美元。那些重用了以前設(shè)計(jì)的相當(dāng)一部分或新的更簡單芯片的衍生產(chǎn)品，可以在成熟節(jié)點(diǎn)中制造，開發(fā)成本僅為2000萬至2億美元。

高度專業(yè)的半導(dǎo)體制造設(shè)施，通常被稱為“Fab”，將納米級集成電路從芯片設(shè)計(jì)打印到硅晶片。每個(gè)晶圓包含多個(gè)相同設(shè)計(jì)的芯片。每片晶片的實(shí)際芯片數(shù)量取決于特定芯片的大?。核梢栽跒橛?jì)算機(jī)或智能手機(jī)供電的數(shù)百個(gè)大型復(fù)雜處理器之間變化，對于打算執(zhí)行簡單功能的小型芯片，可能會有數(shù)十萬個(gè)。

制造工藝的復(fù)雜，需要高度專業(yè)的輸入和設(shè)備，以達(dá)到所需的微型精度。集成電路建在潔凈室，設(shè)計(jì)用于保持無菌條件，以防止空氣中的顆粒污染，從而改變形成電子電路的材料的特性。

根據(jù)具體產(chǎn)品，半導(dǎo)體晶片的整體制造過程有400至1400個(gè)步驟。制造成品半導(dǎo)體晶片的平均時(shí)間，稱為周期時(shí)間，大約為12周，但完成先進(jìn)工藝需要14-20周。它利用了數(shù)百種不同的投入，包括原晶圓、一般化學(xué)品、特殊化學(xué)品以及許多不同類型的加工和測試設(shè)備和工具，經(jīng)過若干階段（圖6）。這些步驟通常重復(fù)數(shù)百次，這取決于所需電子電路的復(fù)雜性。

制造工藝技術(shù)的進(jìn)展通常通過“線寬”來描述?！熬€寬”一詞是指電子電路中晶體管門的納米尺寸。一般來說，節(jié)點(diǎn)尺寸越小，芯片的功率越大，因?yàn)榭梢詫⒏嗑w管放置在相同尺寸的區(qū)域?！澳柖伞笔切酒系木w管數(shù)量每18到24個(gè)月翻一番，但價(jià)格降低一半。摩爾定律為處理器自1965年以來性能和成本的持續(xù)提高奠定了基礎(chǔ)。如今，智能手機(jī)、電腦、游戲機(jī)和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上發(fā)現(xiàn)的先進(jìn)處理器都是在5到10納米節(jié)點(diǎn)上制造的。利用3納米工藝技術(shù)制造商業(yè)芯片的計(jì)劃將于2023年左右開始。

盡管用于數(shù)字應(yīng)用的邏輯和存儲器芯片由于與較小節(jié)點(diǎn)相關(guān)的晶體管尺寸的縮放而受益匪淺，但其他類型的半導(dǎo)體，特別是上述分立、光電、傳感器和模擬半導(dǎo)體，遷移到更小的節(jié)點(diǎn)，并不能達(dá)到相同的性能和成本效益，或者簡單地使用不同類型的電路或架構(gòu)，這些電路或架構(gòu)在更小型化的線寬上無法工作。因此，如今大多數(shù)晶圓制造仍然使用較寬的線寬上進(jìn)行，從目前的“領(lǐng)先線寬”5納米用于高級邏輯，到用于分立、光電、傳感器和模擬半導(dǎo)體的180納米以上的線寬。事實(shí)上，目前全球僅2%產(chǎn)品用10納米以下的線寬（圖7）。

由于生產(chǎn)半導(dǎo)體所需的規(guī)模和復(fù)雜設(shè)備，前端制造業(yè)是高度資本密集型的。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容量的最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造廠需要大約50億美元（對于高級模擬制造廠）到200億美元（對于高級邏輯和存儲器制造廠）的資本支出，包括土地、建筑和設(shè)備。例如，這大大高于下一代航空母艦（130億美元）或新核電站（40億至80億美元）的估計(jì)成本。專注于半導(dǎo)體制造的公司的資本支出通常占其年收入的30%至40%。因此，晶圓制造約占整個(gè)產(chǎn)業(yè)資本支出的65%和增加值的25%。主要集中在東亞（臺灣、韓國和日本）和中國大陸。

這一階段包括將晶圓廠生產(chǎn)的硅片轉(zhuǎn)換成成品芯片，以便組裝成電子設(shè)備。參與這一階段的公司首先將硅片切成單個(gè)芯片。然后芯片被包裝到保護(hù)框架中，并封裝在樹脂殼中。芯片在運(yùn)到電子設(shè)備制造商之前要經(jīng)過進(jìn)一步的嚴(yán)格測試。

供應(yīng)鏈的后端階段仍然需要對專門設(shè)施進(jìn)行大量投資。專門從事裝配、封裝和測試的公司通常將其年收入的15%以上投資于設(shè)施和設(shè)備。它比前端制造階段需要相對較少的資本密集型和雇用更多的勞動(dòng)力，但新的創(chuàng)新先進(jìn)的封裝制造正在改變這一業(yè)態(tài)?？傮w而言，2019年，該活動(dòng)占行業(yè)資本支出總額的13%，貢獻(xiàn)了行業(yè)增加值總額的6%。主要集中在臺灣和中國大陸，最近還在東南亞（馬來西亞、越南和菲律賓）建造新設(shè)施。

專注于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和生產(chǎn)活動(dòng)的公司得到上游專業(yè)供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)的支持。

在設(shè)計(jì)階段，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）公司提供復(fù)雜的軟件和服務(wù)來支持半導(dǎo)體設(shè)計(jì)，包括專用集成電路（ASIC）的外包設(shè)計(jì)。在一個(gè)芯片中有數(shù)十億個(gè)晶體管，最先進(jìn)的EDA工具對于設(shè)計(jì)具有競爭力的現(xiàn)代半導(dǎo)體是必不可少的。

核心IP供應(yīng)商授權(quán)可重用組件設(shè)計(jì)（通常稱為“IP塊”或“IP”）具有定義的接口和功能，以便設(shè)計(jì)公司將其集成到芯片布局中。這些還包括與每個(gè)制造過程節(jié)點(diǎn)相關(guān)的基礎(chǔ)物理IPS，以及許多接口IPS。EDA和核心IP供應(yīng)商在研發(fā)方面投入了大量資金，約占其收入的30%至40%，并在2019年約占行業(yè)增加值的4%。

半導(dǎo)體制造業(yè)在制造過程中的每一步都使用50多種不同類型的精密晶圓加工和測試設(shè)備，這些設(shè)備由專業(yè)供應(yīng)商提供(附件8）

光刻工具是制造廠商最大的資本支出之一，它決定了一個(gè)工廠生產(chǎn)芯片的先進(jìn)程度。先進(jìn)的光刻設(shè)備，特別是那些利用極端紫外線（EUV）技術(shù)的設(shè)備，需要在7納米及以下制造芯片。一臺EUV機(jī)器的成本可能是1.5億美元。

計(jì)量和檢驗(yàn)設(shè)備也是半導(dǎo)體制造過程管理的關(guān)鍵。由于該過程涉及一到兩個(gè)月的數(shù)百個(gè)步驟，如果在過程的早期出現(xiàn)任何缺陷，則在隨后耗時(shí)步驟中所進(jìn)行的所有工作將被浪費(fèi)。因此，在半導(dǎo)體制造過程的關(guān)鍵點(diǎn)，應(yīng)建立嚴(yán)格的計(jì)量和檢驗(yàn)過程，以確保確定和保持一定的產(chǎn)量。

現(xiàn)代工廠還擁有先進(jìn)的自動(dòng)化和過程控制系統(tǒng)，用于直接設(shè)備控制、自動(dòng)化材料運(yùn)輸和實(shí)時(shí)批量調(diào)度，許多最新的設(shè)施幾乎完全自動(dòng)化。

半導(dǎo)體制造設(shè)備還包括許多具有特定功能的子系統(tǒng)和組件，例如光學(xué)或真空子系統(tǒng)、氣體和流體管理、熱管理或晶圓處理。這些子系統(tǒng)由數(shù)百個(gè)專門供應(yīng)商提供。

開發(fā)和制造這種先進(jìn)、高精度的制造設(shè)備，也需要大量的研發(fā)投入。半導(dǎo)體制造設(shè)備公司通常將其收入的10%至15%投資于研發(fā)。2019年，半導(dǎo)體設(shè)備制造商供應(yīng)商占研發(fā)的9%，占行業(yè)增加值的11%。

最后，參與半導(dǎo)體制造的公司也依賴于專業(yè)的材料供應(yīng)商。半導(dǎo)體制造業(yè)使用多達(dá)300種不同的輸入，其中許多輸入同時(shí)也需要先進(jìn)的技術(shù)來生產(chǎn)。例如，用于制造隨后切片成晶圓的硅錠所用多晶硅的純度水平要求比太陽能板所需水平高1000倍，主要由4家公司提供，全球市場份額合計(jì)在90%以上。圖9顯示了2019年全球半導(dǎo)體制造材料在前端和后端制造中使用的關(guān)鍵系列的銷售明細(xì)。

主要前端材料包括：

多晶硅：是一種冶金級硅，純度超精，適用于半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)。

硅片：多晶硅被熔化，形成單晶錠，然后被切成薄片，清潔，拋光，氧化，為在制造設(shè)施內(nèi)的電路壓印做準(zhǔn)備。

光刻掩模：平版印刷過程中用的一種覆蓋有圖案的印版。這些圖案由不透明和透明的區(qū)域組成，這些區(qū)域阻止或允許光線通過。

光刻膠：一種特殊材料，在光照下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。硅片上覆蓋有光刻膠層，光刻膠層在光刻過程中壓印有光掩模中包含的圖案。

濕加工化學(xué)品：用于半導(dǎo)體制造過程中的蝕刻和清洗步驟，包括溶劑、酸、蝕刻劑、剝離劑和其他產(chǎn)品。

氣體：用于保護(hù)晶圓免受大氣照射。其他氣體在半導(dǎo)體制造過程中用作摻雜劑、干蝕刻劑和化學(xué)氣相沉積（CVD）。

化學(xué)機(jī)械平坦化（CMP）泥漿：

用于在薄膜沉積步驟后拋光晶圓表面以提供平坦表面的材料。

后端材料包括引線框架、有機(jī)基板、陶瓷封裝、封裝樹脂、鍵合線和芯片連接材料。與上述晶圓制造材料相比，它們通常具有相對較低的生產(chǎn)技術(shù)壁壘。

這些高度專業(yè)化材料的生產(chǎn)是在大型工廠進(jìn)行的，這也需要高投資。年度資本支出中硅片、光刻膠或氣體的全球供應(yīng)商通常占其收入的13%至20%?？偟膩碚f，2019年，材料供應(yīng)商占總資本支出的6%，占行業(yè)增加值的5%。

半導(dǎo)體是設(shè)計(jì)和制造非常復(fù)雜的產(chǎn)品。因此，半導(dǎo)體行業(yè)呈現(xiàn)出高研發(fā)和高資本密集的雙重態(tài)勢?？傮w而言，我們估計(jì)，2019年，該行業(yè)在全球價(jià)值鏈所有活動(dòng)中的研發(fā)投資約為900億美元，資本支出約為1100億美元。這兩個(gè)數(shù)字加起來幾乎占同年全球半導(dǎo)體銷售額4190億美元的50%。

如上圖4所示，雖然65%的行業(yè)研發(fā)投資（不包括競爭前研究）是在價(jià)值鏈的設(shè)計(jì)層進(jìn)行的，但在EDA和核心IP、半導(dǎo)體設(shè)備和晶圓制造方面也有重要的研發(fā)活動(dòng)。同樣，晶圓制造業(yè)占整個(gè)產(chǎn)業(yè)資本支出的65%，但組裝和測試、材料甚至設(shè)計(jì)也需要對先進(jìn)的設(shè)施和設(shè)備進(jìn)行大量投資。

考慮到企業(yè)在整個(gè)全球價(jià)值鏈上的投資，沒有任何一個(gè)行業(yè)在研發(fā)（占芯片總收入的22%，領(lǐng)先于制藥）和資本支出（占芯片總收入的26%，領(lǐng)先于公用事業(yè)）方面具有相同的高強(qiáng)度(圖10。）這種極高的投資強(qiáng)度導(dǎo)致需要大規(guī)模的全球規(guī)模和專業(yè)化。

自20世紀(jì)60年代半導(dǎo)體工業(yè)誕生以來，它的結(jié)構(gòu)已經(jīng)從最初的只有垂直整合的公司進(jìn)行所有生產(chǎn)階段的形式演變而來。技術(shù)復(fù)雜性的急劇增加和對規(guī)模的需求，使得設(shè)計(jì)（以研發(fā)的形式）和制造（以資本支出的形式）需要大量投資來保持創(chuàng)新的步伐，這有利于專業(yè)參與者的出現(xiàn)。

如今，半導(dǎo)體公司可能專注于供應(yīng)鏈的一個(gè)層面，或者跨多個(gè)層面進(jìn)行垂直整合。沒有一家公司，甚至整個(gè)國家，在所有領(lǐng)域都是垂直整合的。根據(jù)集成度和商業(yè)模式的不同，半導(dǎo)體公司有四種類型（圖11）：集成器件制造商（IDM）、無晶圓廠設(shè)計(jì)公司、Foundry和外包組裝和測試公司（OSAT）。

圖11

IDM跨價(jià)值鏈的多個(gè)部分進(jìn)行垂直整合，執(zhí)行設(shè)計(jì)；制作；以及內(nèi)部組裝、包裝和測試活動(dòng)。在實(shí)踐中，一些IDM有混合的“Fab-lite”模型，它們將一些生產(chǎn)和裝配外包出去。

在該行業(yè)的最初幾十年中，IDM模式占主導(dǎo)地位，但在研發(fā)和資本支出方面的投資規(guī)模迅速增加，同時(shí)需要規(guī)模和專業(yè)化，這導(dǎo)致了無晶圓廠鑄造模式的出現(xiàn)。

目前，IDM模型在專注于內(nèi)存和DAO產(chǎn)品的公司中更為常見，這些產(chǎn)品主要是通用組件，更具可擴(kuò)展性。2019年，IDM約占全球半導(dǎo)體銷售額的70%。

無晶圓廠的公司選擇專注于設(shè)計(jì)和外包制造以及組裝、封裝和測試。無晶圓廠的公司通常將制造外包給純粹的Foundry和OSAT。自20世紀(jì)90年代以來，隨著創(chuàng)新步伐的加快，許多公司越來越難以管理制造業(yè)的資本密集度和設(shè)計(jì)的高水平研發(fā)支出，無晶圓廠模式隨著對半導(dǎo)體的需求而發(fā)展。隨著技術(shù)難度和前期投資隨著向小型制造節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移而飆升，無晶圓廠企業(yè)占半導(dǎo)體銷售總額的比例從2000年的不到10%上升到2019年的近30%。

邏輯芯片基本上是無晶圓廠企業(yè)的領(lǐng)域，除了英特爾（Intel），以及最近規(guī)模較小的三星（Samsung）。這一動(dòng)態(tài)是由于市場要求提高功率和性能能力，以支持智能手機(jī)和新興前沿應(yīng)用程序在人工智能和高性能計(jì)算領(lǐng)域的快速循環(huán)。

Foundry解決了無晶圓廠企業(yè)和IDM的制造需求，因?yàn)榇蠖鄶?shù)IDM沒有足夠的內(nèi)部安裝制造能力來滿足其所有需求。這種商業(yè)模式使鑄造廠能夠分散與大型前期資本支出相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，這些資本支出是在設(shè)計(jì)公司和IDM的更大客戶范圍內(nèi)建立現(xiàn)代工廠所需的。大多數(shù)Foundry只專注于為第三方制造芯片，盡管一些具有強(qiáng)大制造能力的IDM除了自己的芯片外，也可能選擇為其他廠商制造芯片。

撇開內(nèi)存不談，F(xiàn)oundry在過去五年中為DAO和邏輯產(chǎn)品增加了60%的行業(yè)增量產(chǎn)能。目前，F(xiàn)oundry占整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)能力的35%，如果不包括內(nèi)存，則占50%。在使用更先進(jìn)的12英寸/300mm晶圓尺寸的高級（14納米或以下）和后續(xù)線寬（20到60納米）中，它們的份額上升到78%。此外，目前能在領(lǐng)先的5納米線寬上生產(chǎn)的僅有兩家公司是Foundry。

OSAT根據(jù)合同向IDM和無晶圓廠提供封裝和測試服務(wù)。這部分供應(yīng)鏈最早是由一些美國IDM在20世紀(jì)60年代開始離岸的，因?yàn)樗馁Y本密集度較低，對低技能勞動(dòng)力的需求也較低。無晶圓廠模式也導(dǎo)致了專門的OSAT公司的出現(xiàn)

上述經(jīng)濟(jì)因素，加上生產(chǎn)半導(dǎo)體所需的復(fù)雜技術(shù)方面的深厚專業(yè)知識，為供應(yīng)鏈核心活動(dòng)的進(jìn)入創(chuàng)造了自然障礙，導(dǎo)致每個(gè)活動(dòng)的供應(yīng)商基礎(chǔ)相對集中。

在制造業(yè)，建設(shè)新產(chǎn)能所需的前期投資規(guī)模之大作為一個(gè)主要的障礙。舉例來說，2015年至2019年間，前五大鑄造廠的年度資本支出總額約為750億美元，平均每家公司每年30億美元，相當(dāng)于其年收入的35%以上。

雖然半導(dǎo)體設(shè)計(jì)不需要大量的資本支出，但其高研發(fā)強(qiáng)度也創(chuàng)造了顯著的規(guī)模優(yōu)勢，成為進(jìn)入的障礙。例如，前五大無晶圓廠企業(yè)在2015年至2019年的5年間，在研發(fā)方面投入了680億美元，平均每家企業(yè)每年投入28億美元，相當(dāng)于其收入的22%。

只有規(guī)模非常大的公司才有可能從這些巨額投資中獲得令人滿意的回報(bào)。這就是為什么在半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的不同活動(dòng)中，全球前三大廠商通常占各自部門收入的50%至90%。