在新時代強化全球集成電路供應(yīng)鏈（1）（2）

始于2020年末的半導(dǎo)體普遍短缺，突顯出這些專用組件在當(dāng)今經(jīng)濟中是多么不可或缺。半導(dǎo)體用于為大量電子設(shè)備供電，從智能手機、云服務(wù)器到現(xiàn)代汽車、工業(yè)自動化、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和防御系統(tǒng)。

半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的全球結(jié)構(gòu)，在過去三十年中發(fā)展，使該行業(yè)在成本節(jié)約和性能提升方面實現(xiàn)了持續(xù)的飛躍，最終使信息技術(shù)和數(shù)字服務(wù)的爆炸性增長成為可能。然而，在過去幾年中，出現(xiàn)了一些新的因素，可能使這一全球模式的成功延續(xù)面臨風(fēng)險。解決這些脆弱性需要政策制定者結(jié)合精心設(shè)計的行動，包括有針對性地鼓勵國內(nèi)生產(chǎn)，以解決戰(zhàn)略差距。

半導(dǎo)體是設(shè)計和制造的高度復(fù)雜的產(chǎn)品。其他行業(yè)在研發(fā)（占電子設(shè)備制造商半導(dǎo)體年銷售額的22%）和資本支出（26%）方面的投資水平都不高。

圖1

對深厚的技術(shù)訣竅和規(guī)模的需求導(dǎo)致了高度專業(yè)化的全球供應(yīng)鏈，各區(qū)域根據(jù)其相對優(yōu)勢在供應(yīng)鏈中發(fā)揮不同的作用。（見圖表1）美國在最密集的研發(fā)活動電子設(shè)計自動化（EDA）中處于領(lǐng)先地位，擁有世界一流大學(xué)、龐大的工程人才庫和市場驅(qū)動的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，擁有核心知識產(chǎn)權(quán)（IP）、芯片設(shè)計和先進制造設(shè)備。

東亞處于晶圓制造業(yè)的最前沿，這需要政府激勵措施支持的大規(guī)模資本投資，以及強大的基礎(chǔ)設(shè)施和熟練的勞動力。中國在裝配、包裝和測試領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，相對而言，這些領(lǐng)域的技術(shù)和資本密集度較低，中國正在積極投資，以拓展整個價值鏈。

在這個一體化的全球供應(yīng)鏈中，所有國家都是相互依存的，依靠自由貿(mào)易將世界各地的材料、設(shè)備、知識產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)品運送到執(zhí)行每項活動的最佳地點。事實上，半導(dǎo)體是全球第四大貿(mào)易產(chǎn)品，僅次于原油、成品油和汽車。

這種全球結(jié)構(gòu)提供了巨大的價值。一個假設(shè)的替代方案是，在每個地區(qū)建立平行的、完全“自給自足”的本地供應(yīng)鏈，以滿足其目前的半導(dǎo)體消費水平，至少需要1萬億美元的前期增量投資，導(dǎo)致半導(dǎo)體價格整體上漲35%至65%，最終導(dǎo)致終端用戶的電子設(shè)備成本上升。

在接下來的十年里，這個行業(yè)將需要在全球價值鏈上投資約3萬億美元用于研發(fā)和資本支出，以滿足不斷增長的半導(dǎo)體需求。行業(yè)參與者和政府必須合作，繼續(xù)促進全球市場、技術(shù)、資本和人才的準(zhǔn)入，使供應(yīng)鏈更有彈性。

雖然地理專業(yè)化為該行業(yè)提供了很好的服務(wù)，但它也造成了脆弱性，每個地區(qū)都需要根據(jù)自己的經(jīng)濟和安全考慮，以特定的方式評估這些脆弱性。在整個供應(yīng)鏈中有50多個點，其中一個地區(qū)占有全球65%以上的份額市場份額，盡管與每一項相關(guān)的風(fēng)險水平各不相同。當(dāng)談到全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的彈性時，制造業(yè)成為一個主要的焦點。約75%的半導(dǎo)體生產(chǎn)能力，以及由于許多關(guān)鍵材料（如硅片、光刻膠和其他特種化學(xué)品）的供應(yīng)商都集中在中國和東亞地區(qū)，這兩個地區(qū)的地震活動頻繁，地緣政治關(guān)系緊張。此外，目前世界上最先進的10納米以下節(jié)點半導(dǎo)體制造能力都位于韓國（8%）和臺灣（92%）。這些是單點故障，可能會被自然災(zāi)害、基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)閉或國際沖突中斷，并可能導(dǎo)致芯片供應(yīng)嚴重中斷。

除了與某些地理位置的集中有關(guān)的風(fēng)險外，地緣政治緊張可能導(dǎo)致出口管制妨礙與某些國家集中的關(guān)鍵技術(shù)、工具和產(chǎn)品供應(yīng)商的接觸。這種管制還可能限制進入重要的終端市場，可能導(dǎo)致規(guī)模的重大損失，并損害該行業(yè)維持目前研發(fā)水平和資本密集度的能力。

解決這些挑戰(zhàn)的辦法不是通過大規(guī)模的國家產(chǎn)業(yè)政策來追求完全自給自足，這種政策的成本驚人，執(zhí)行的可行性也值得懷疑。相反，半導(dǎo)體行業(yè)需要有針對性的政策，加強供應(yīng)鏈彈性，擴大開放貿(mào)易，同時平衡國家安全需求。

為應(yīng)對全球供應(yīng)中斷的風(fēng)險，各國政府應(yīng)制定市場驅(qū)動的激勵計劃，以實現(xiàn)更多元化的地理足跡，其中應(yīng)包括在美國建立額外的制造能力，以及擴大一些關(guān)鍵材料的生產(chǎn)基地和供應(yīng)來源。在我們上一份題為“政府激勵與美國半導(dǎo)體制造業(yè)競爭力”的報告中，我們發(fā)現(xiàn)，500億美元的激勵計劃將使美國成為半導(dǎo)體制造業(yè)具有吸引力的地區(qū)。我們的分析表明，這樣一個計劃可以在未來十年內(nèi)為邏輯、存儲器和模擬半導(dǎo)體建造19個先進的晶圓廠，如果不采取行動，這一數(shù)字將增加一倍。

這一新的能力將有助于解決供應(yīng)鏈中的主要弱點。例如，它將允許美國保持領(lǐng)先節(jié)點的最低可行制造能力，以滿足國內(nèi)對用于國家安全系統(tǒng)、航空航天和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的先進邏輯芯片的需求。相比之下，我們估計完全制造業(yè)自給自足的目標(biāo)將覆蓋美國半導(dǎo)體消費總量在岸產(chǎn)能將需要超過4000億美元的政府激勵措施，10年的成本將超過1萬億美元。

在制定促進供應(yīng)鏈彈性的政策時，各國政府必須保證國內(nèi)外企業(yè)都有一個公平的全球競爭環(huán)境作為知識產(chǎn)權(quán)的有力保護。他們還必須采取措施，進一步促進全球貿(mào)易以及研發(fā)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面的國際合作。與此同時，政策制定者需要采取措施加大對基礎(chǔ)研究的刺激力度，解決人才短缺的威脅，限制了該行業(yè)保持創(chuàng)新步伐的能力。

為此，需要對科學(xué)和工程教育進行進一步的公共投資，并制定移民政策，使全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體集群能夠吸引世界級人才。

此外，對國家安全有重大關(guān)切的政府應(yīng)制定明確的政策以及有針對性地控制半導(dǎo)體貿(mào)易的穩(wěn)定框架，以避免對技術(shù)和供應(yīng)商的廣泛單方面限制。

這種經(jīng)過良好調(diào)整的政策干預(yù)措施將在當(dāng)今全球供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)中保持規(guī)模和專業(yè)化的好處。這將確保該行業(yè)能夠擴展其能力，以實現(xiàn)半導(dǎo)體領(lǐng)域的持續(xù)改進。

今天的移動電話用戶可能不會把太多的精力放在研究、開發(fā)、設(shè)計和制造方面的復(fù)雜的跨國界合作上，這些合作涉及數(shù)百家公司，使他們能夠通過高速無線網(wǎng)絡(luò)訪問他們喜愛的內(nèi)容。然而，消費者受益于整個深度復(fù)雜的電子行業(yè)的全球協(xié)調(diào)，其形式是加速創(chuàng)新周期，以較低的價格提供新的技術(shù)功能。全球一體化數(shù)字經(jīng)濟的支柱是半導(dǎo)體供應(yīng)鏈。

在過去的三十年里，半導(dǎo)體工業(yè)經(jīng)歷了快速的發(fā)展，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟影響。從1990年到2020年，半導(dǎo)體市場以7.5%的年復(fù)合增長率增長，超過了同期全球GDP的5%。半導(dǎo)體行業(yè)帶來的性能和成本的提高，使上世紀(jì)90年代從大型機向PC機的演變成為可能，21世紀(jì)是支撐網(wǎng)絡(luò)和在線服務(wù)的客戶機-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，然后是智能手機在20世紀(jì)10年代成為人人口袋里的電腦。

這些創(chuàng)新創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟增長：從1995年到2015年，全球與半導(dǎo)體創(chuàng)新直接相關(guān)的GDP估計增加了3萬億美元，，間接影響增加了11萬億美元。展望未來，半導(dǎo)體技術(shù)的進一步發(fā)展將是推動新一輪變革性技術(shù)的關(guān)鍵，包括人工智能（AI）、5G、自動電動汽車或物聯(lián)網(wǎng)（IoT）解決方案，這些解決方案將大規(guī)模部署在各種智能連接設(shè)備上。

這種經(jīng)濟影響是由于半導(dǎo)體技術(shù)的不斷加速改進而得以實現(xiàn)的。自1958年集成電路發(fā)明以來，邏輯芯片每片晶圓的晶體管數(shù)量增加了約1000萬個，處理器速度提高了10萬倍，可比性能每年降低45%以上的成本。再加上先進的封裝和材料技術(shù)等工程創(chuàng)新，這使得電子設(shè)備制造商能夠以越來越小的外形尺寸制造出具有指數(shù)級計算能力的設(shè)備。舉例來說，今天的智能手機比1969年美國宇航局用來將阿波羅11號送上月球的大型計算機有更多的計算機能力。今天的智能手機包含的存儲內(nèi)存也比2010年的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器要多。同樣，在連續(xù)幾代的蜂窩技術(shù)下，模擬半導(dǎo)體的進步也使得無線通信的質(zhì)量和速度有了巨大的提高，這導(dǎo)致了最近推出的5G。

供應(yīng)鏈的專業(yè)化使得創(chuàng)新所需的深度關(guān)注成為可能，這常常會突破科學(xué)的界限。半導(dǎo)體產(chǎn)品有30多種類型，每種類型都針對電子子系統(tǒng)中的特定功能進行了優(yōu)化。開發(fā)一個現(xiàn)代芯片需要在硬件和軟件方面有深厚的技術(shù)專長，并依賴于專業(yè)公司提供的先進設(shè)計工具和知識產(chǎn)權(quán)（IP）。制作然后通常需要多達300種不同的輸入，包括原晶圓、商品化學(xué)品、特殊化學(xué)品和散裝氣體。這些輸入由50多個等級的高度精密設(shè)備處理。大多數(shù)這種設(shè)備，如光刻和計量工具，包括數(shù)百個技術(shù)子系統(tǒng)，如模塊，激光器，機電一體化，控制芯片和光學(xué)。從事半導(dǎo)體設(shè)計和制造的高度專業(yè)化的供應(yīng)商往往設(shè)在不同的國家。芯片然后在全球之旅中曲折地穿越世界。

本報告旨在提供一個復(fù)雜的全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的理解，它如何支持該行業(yè)的持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新，以及它如何最終受益于消費者和使我們的經(jīng)濟通過更好的技術(shù)以更低的價格。我們還確定了一些可能影響行業(yè)繼續(xù)提供指數(shù)級性能和成本改進的能力的風(fēng)險，并討論了解決這些風(fēng)險的方法。