芯東西 9 月 29 日消息，本周一，美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會（SIA）發(fā)布了其年度行業(yè)報告。該報告共 27 頁，從半導(dǎo)體在新冠肺炎疫情中的表現(xiàn)、美國半導(dǎo)體行業(yè)在全球的地位、半導(dǎo)體行業(yè)對美國國內(nèi)經(jīng)濟的影響等進行了梳理和分析。
根據(jù)這份報告，2021 年半導(dǎo)體行業(yè)資本支出預(yù)計將接近 1500 億美元，而此前該支出從未超過 1150 億美元。由于疫情和新興技術(shù)等因素，2020 年全球半導(dǎo)體銷售額增長了 6.8%，為 4404 億美元。
近年來，雖然美國占全球芯片制造份額有所下滑，但是美國半導(dǎo)體公司研發(fā)占銷售額比例超過任何其他國家和地區(qū)，是行業(yè)的重要創(chuàng)新來源。
以下是芯東西對報告全文的編譯和整理。
01. 全球缺芯，晶圓廠產(chǎn)能利用率超 80%
在 2020 年和 2021 年，缺芯問題引發(fā)了全球關(guān)注。報告指出，半導(dǎo)體行業(yè)一直在努力增加產(chǎn)能，以保障芯片供應(yīng)。
由于市場需求火熱，前端晶圓廠的產(chǎn)能利用率普遍超過 80%，個別晶圓廠產(chǎn)能利用率甚至高達 90%、100%。SIA 預(yù)計，2021 年全球晶圓廠產(chǎn)能利用率將進一步提高。
▲ 全球晶圓廠產(chǎn)能利用率變化
如今，全球半導(dǎo)體行業(yè)正在加大制造和研發(fā)投資，以滿足未來的市場增長。2021 年以來，全球芯片制造商正在投資新的晶圓廠。
此外，半導(dǎo)體行業(yè)的資本支出（CAPEX）創(chuàng)造了歷史紀錄。SIA 預(yù)計，2021 年的行業(yè)資本支出將接近 1500 億美元，2022 年則將超過這一數(shù)字。而在 2021 年之前，行業(yè)年度資本支出從未超過 1150 億美元。
當前的芯片短缺提醒了人們芯片對于汽車等行業(yè)的重要性，從長遠來看這種重要性將會不斷加大，全球?qū)π酒男枨笠矔^續(xù)上升。
02. 汽車跌倒、電腦吃飽，誰占了最多的芯片？
由于疫情影響和新興技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體市場增速較快。2019 年，全球半導(dǎo)體銷售額為 4123 億美元，2020 年全球半導(dǎo)體銷售額增長 6.8% 至 4404 億美元。
根據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計組織（WSTS）的數(shù)據(jù)，2021 年全球半導(dǎo)體銷售額將達到 5270 億美元，2022 年則可能達到 5730 億美元。
▲ 全球半導(dǎo)體市場變化
受疫情影響，各種終端對芯片的需求也發(fā)生了較大變化。根據(jù) SIA 的數(shù)據(jù)，2020 年半導(dǎo)體銷售額漲幅最高的終端產(chǎn)品是電腦，其銷售額上漲了 21.2%，市場價值達 1422 億美元。
2020 年下降最多的則是政府終端，該業(yè)務(wù)的半導(dǎo)體銷售額降低了 11.8%，僅為 46 億美元。備受關(guān)注的汽車行業(yè)則波動較大，最終減少了 0.3%。
▲ 2020 年半導(dǎo)體在各終端市場價值
整體看來，2020 年全球半導(dǎo)體需求最高的是電腦，該終端占據(jù)了 32.3% 的全球半導(dǎo)體份額；智能手機等通信終端緊隨其后，占據(jù)了 31.2% 的份額。消費電子、工業(yè)、汽車 3 大終端分別占據(jù) 12%、12% 和 11.4% 的半導(dǎo)體份額。
如果以地區(qū)來看，美國半導(dǎo)體公司的銷售額占據(jù)了全球接近一半的市場份額，韓國、日本、歐洲、中國等國家和地區(qū)企業(yè)所占市場份額分別為 20%、10%、10% 和 12%。
03. 芯片設(shè)計撐起行業(yè)地位，本土沒有 10nm 以下芯片產(chǎn)線
SIA 也列出了美國半導(dǎo)體行業(yè)的支柱和短板。
具體來說，美國半導(dǎo)體行業(yè)在 EDA、IP 核、芯片設(shè)計和半導(dǎo)體設(shè)備等環(huán)節(jié)處于領(lǐng)先地位，而在硅片等原材料、封裝、測試等環(huán)節(jié)處于落后。在芯片制造方面，美國本土缺少 10nm 以下的邏輯芯片制造能力，在模擬芯片和存儲上則處于領(lǐng)先地位。
▲ 按各供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)和地區(qū)劃分的半導(dǎo)體附加值和份額
值得注意的是，美國在芯片設(shè)計方面的優(yōu)勢已成為其保持行業(yè)地位的關(guān)鍵。芯片設(shè)計屬于技術(shù)密集環(huán)節(jié)，其研發(fā)占整個半導(dǎo)體行業(yè)的 65%，附加值則占 53%。
自 90 年代以來，采用無晶圓廠模式（Fabless）的公司不斷增多。2000 年，無晶圓廠企業(yè)的銷售總額占整個半導(dǎo)體市場的 10% 不到，2019 年這一數(shù)字已接近 30%。美國無晶圓廠企業(yè)銷售額占全球無晶圓廠的 60%，也擁有全球最多的設(shè)計人才，是美國在半導(dǎo)體領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位的關(guān)鍵。
雖然此前美國政府對半導(dǎo)體投入并不如其他政府，但美國半導(dǎo)體公司的研發(fā)支出一直在增長。2000 年到 2020 年期間，其年復(fù)合增長率為 7.2%。2020 年美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)用于研發(fā)的總投資額達 440 億美元。
▲ 美國半導(dǎo)體公司研發(fā)投入
就研發(fā)支出占行業(yè)銷售額比例來說，美國半導(dǎo)體行業(yè)的研發(fā)支出占比僅次于制藥和生物技術(shù)行業(yè)，而且其研發(fā)占比高于任何國家和地區(qū)的半導(dǎo)體行業(yè)。
SIA 稱，這些對研發(fā)的高水平投入推動了美國半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新，幫助其保持了在全球市場中的領(lǐng)先地位，并在美國各地創(chuàng)造了就業(yè)機會。
▲ 美國行業(yè)研發(fā)支出排名（左）和半導(dǎo)體研發(fā)支出排名（右）
而在芯片制造上，基于先進制程的邏輯芯片制造是美國半導(dǎo)體行業(yè)的短板。在存儲芯片領(lǐng)域，美國在 DRAM 和 3D NAND 閃存方面有著較強的競爭力，美光等公司正在全面迎接 EUV 光刻技術(shù)的到來。
此外，美國還在先進封裝、化合物半導(dǎo)體和碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體制造技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。
04. 創(chuàng)造 1600 億美元收入，本土廠商產(chǎn)能正在流失
SIA 指出，美國半導(dǎo)體行業(yè)對其國內(nèi)經(jīng)濟至關(guān)重要。據(jù)其統(tǒng)計，美國從事半導(dǎo)體設(shè)計、制造、測試和研發(fā)的人員超過 27.7 萬，能夠影響 2600 多萬美國工人。
報告顯示，每個半導(dǎo)體崗位都會額外制造 5.7 個工作崗位。2020 年，美國半導(dǎo)體行業(yè)就創(chuàng)造了 185 萬個工作崗位。
除了創(chuàng)造就業(yè)，半導(dǎo)體行業(yè)對 GDP 的影響十分重要。2020 年美國半導(dǎo)體行業(yè)對 GDP 的總影響達 2464 億美元，還創(chuàng)造了 1608 億美元的收入，覆蓋范圍包括建筑、金融、休閑、酒店等不同領(lǐng)域。在出口方面，2020 年美國半導(dǎo)體總出口額達 490 億美元，僅排在飛機、成品油和原油之后。
▲ 美國半導(dǎo)體行業(yè)所帶動的 GDP
值得注意的是，相比 2013 年，美國半導(dǎo)體制造商逐漸開始更多地將前端晶圓廠產(chǎn)能設(shè)在新加坡、中國臺灣、歐洲、日本等地區(qū)。2013 年，約 57% 的美國半導(dǎo)體制造商晶圓產(chǎn)能位于美國；2020 年，這一數(shù)字降到了 43%。
過去十年，海外芯片制造產(chǎn)出的平均增長率是美國的五倍。事實上，全球 3/4 的芯片制造能力集中在東亞地區(qū)，中國大陸很可能在 2030 年占據(jù)全球最大的芯片制造份額。
這也是美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會呼吁美國出臺激勵法案的重要原因之一。
同時，美國政府對芯片研究投資占 GDP 的比重基本持平，相比其他國家和地區(qū)有所不足，削弱了芯片制造、研究實力。為了改善這一局面、創(chuàng)造高薪崗位，美國兩黨通過了 CHIPS 芯片法案，但該法案仍有待美國國會撥款。
▲ 2019 年全球邏輯芯片產(chǎn)能情況
此外，美國國會還考慮制訂名為 FABS 法案的芯片制造法案，該法案將包含半導(dǎo)體投資稅收抵免政策，以幫助加強其半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)。SIA 認為通過這些法案，美國芯片制造將會迎來復(fù)興，并確保其在人工智能、量子計算、5G/6G 等基于半導(dǎo)體的關(guān)鍵技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。
最后，SIA 提出了 4 點建議，分別為：
1、加強投資美國半導(dǎo)體行業(yè)，包括制定投資稅收抵免政策等，以刺激創(chuàng)新；
2、加強美國技術(shù)人才實力，改善教育體系，并吸引外國技術(shù)人才移民；
3、促進自由貿(mào)易和知識產(chǎn)權(quán)保護，擴大信息技術(shù)協(xié)定；
4、加強和盟友合作，認識到半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的全球?qū)傩?，塑造更有利于增長、創(chuàng)新和供應(yīng)鏈彈性的監(jiān)管和法律環(huán)境。
05. 半導(dǎo)體抗疫五大領(lǐng)域盤點
對于全球來說，2021 年最重要的事情還是抗擊新冠肺炎病毒疫情，半導(dǎo)體行業(yè)也不例外。SIA 稱，疫情期間，半導(dǎo)體行業(yè)在五大領(lǐng)域發(fā)揮了自己的作用，對抗擊疫情作出了自己的貢獻。
1、芯片進入更多醫(yī)療設(shè)備，十萬美元降至數(shù)千美元
半導(dǎo)體是當前許多醫(yī)療設(shè)備重要的組成部分，能夠提供如操作控制、數(shù)據(jù)處理和存儲、無線連接和電源管理等功能。由于半導(dǎo)體能夠提供以前非半導(dǎo)體器件的功能，醫(yī)療設(shè)備的性能有所提升，成本則有所下降，有助于應(yīng)對疫情和改善整體醫(yī)療環(huán)境。
SIA 舉了兩個具體的例子來驗證這一說法。第一個是便攜式超聲設(shè)備，該設(shè)備可以檢測患者肺部病變等病毒癥狀，快速識別與新冠病毒相關(guān)的急性肺炎特征，而無需等待核酸檢測。
這種設(shè)備之前采用壓電晶體作為超聲波探頭，這使得超聲波檢測設(shè)備的價格一般超過 10 萬美元。通過半導(dǎo)體芯片替代壓電晶體，設(shè)備成本僅需數(shù)千美元，可以更便捷地探測、評估患者身體內(nèi)部情況。
第二個是呼吸機。在疫情期間，呼吸機用于幫助嚴重肺損傷的患者進行輔助呼吸。呼吸機系統(tǒng)使用半導(dǎo)體傳感器和處理器來監(jiān)測生命信號。傳感器用于確定患者每次呼吸的速度、體積和氧氣量，并根據(jù)患者的需要準確調(diào)節(jié)氧氣水平。處理器控制電機速度，輔助患者進行呼吸。
2、先進傳感器、模擬芯片實現(xiàn)密集人群測溫
對于許多重新開放的工作場所和公共設(shè)施來說，對大量人員進行體溫檢查十分重要。當前的熱像儀或非接觸式額頭紅外溫度計是兩種常用的方式，這些設(shè)備也依靠傳感器和模擬芯片等半導(dǎo)體將溫度等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字讀數(shù)。
3、AI、超算加速疫苗研發(fā)
大流行迅速產(chǎn)生了大量可以用于開放新冠病毒疫苗的數(shù)據(jù)，但是其龐大的數(shù)據(jù)量使研究人員很難快速找到所需的數(shù)據(jù)。而尖端半導(dǎo)體技術(shù)正在簡化疫苗研究人員對數(shù)據(jù)的搜集過程。
美國的一家半導(dǎo)體公司工程師開發(fā)了一個名為 Deep Search 的平臺，該平臺使用自然語言處理來標記研究論文，以便研究人員通過搜索引擎可以更快地發(fā)現(xiàn)所需論文。
在疫情初期，產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界、國際政府機構(gòu)等組成了 COVID-19 高性能計算聯(lián)盟（The COVID-19 High Performance Computing Consortium），該聯(lián)盟成員擁有超算平臺和 AI 部署能力，在疫情初期幫助大學(xué)、公司和醫(yī)院將疫苗建模和模擬潛在治療時間從幾周縮短到了幾分鐘，大大節(jié)省了疫苗的開發(fā)時間。
▲ COVID-19 高性能計算聯(lián)盟官網(wǎng)頁面
4、遠程辦公、網(wǎng)課基礎(chǔ)設(shè)施
在疫情期間，半導(dǎo)體是公司遠程辦公和學(xué)校網(wǎng)課通訊的基礎(chǔ)設(shè)施。隨著疫情發(fā)展，遠程辦公、教育的趨勢還在持續(xù)，頂級企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)使用率已增長了 30%-50%，就連物流和交付都很大程度上依賴于基于芯片的通信服務(wù)。
封城時，商店物品、雜貨和餐廳食品的運輸十分普遍。雜貨配送公司利用智能手機 App 來連接購物者和顧客，這些基于半導(dǎo)體的服務(wù)使取貨和送貨都變得簡便、安全。
5、新型傳感器助力弱勢群體抗疫
半導(dǎo)體技術(shù)更是加強了對老年人、糖尿病患者和聽力障礙者等弱勢群體的保護。疫情爆發(fā)后，實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠幫助醫(yī)生對這些人群提供遠程醫(yī)療幫助和指導(dǎo)。由于新型半導(dǎo)體傳感器的出現(xiàn)，可穿戴設(shè)備可以提供對血糖等健康指標的監(jiān)測服務(wù)。
此外，半導(dǎo)體還改善了聽力障礙者的處境。當疫情來臨時，許多感染新冠病毒的人患有聽力損失問題，所以幾家聽力護理公司推出了允許患者遠程護理的醫(yī)療平臺。在部分地區(qū)，遠程醫(yī)療平臺的用戶增加了 700% 以上。
06. 結(jié)語：缺芯推動美政府加大芯片制造投資
雖然美國半導(dǎo)體行業(yè)在芯片制造份額上有所下滑，但是高通、蘋果、英特爾、IBM 等國際巨頭不僅手握大量市場份額，更是在專利、研發(fā)投入上處于領(lǐng)先地位。
全球缺芯的當下，中國半導(dǎo)體玩家固然獲得了擴大市場份額、實現(xiàn)國產(chǎn)替代的機會，但也讓美國政府和行業(yè)意識到了制造環(huán)節(jié)的重要性，開始推進芯片制造領(lǐng)域的投資和立法。未來，中、美雙方在半導(dǎo)體領(lǐng)域的博弈與合作，將成為影響行業(yè)發(fā)展走向的重要因素。
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