(الجزء التالي الأول: تصميم الدوائر المتكاملة)

رابعا، حول تصنيع الدوائر المتكاملة

(I) تقديرات سيتي جروب الأساسية لصناعة تصنيع الدوائر المتكاملة

تقود منتجات أشباه الموصلات كل قطاعات الاقتصاد تقريبًا، بما في ذلك الطاقة والرعاية الصحية والزراعة والإلكترونيات الاستهلاكية والتصنيع والنقل. الطلب العالمي للاستخدام النهائي لأشباه الموصلات في عام 2019 هو: الهواتف المحمولة (26%)، والبنية التحتية للمعلومات والاتصالات (بما في ذلك مراكز البيانات وشبكات الاتصالات) (24%)؛ أجهزة الكمبيوتر (19%)، الصناعة (12%)، السيارات (10%)، الإلكترونيات الاستهلاكية (10%).

ومن بين هذه التطبيقات المتنوعة، يدعم حوالي 9% منها بشكل مباشر تطبيقات الأمن القومي والبنية التحتية الحيوية. وتشمل الاستخدامات النهائية الرئيسية لمنتجات أشباه الموصلات الفضاء الجوي وشبكات الاتصالات والطاقة والمرافق والرعاية الصحية والخدمات المالية. وتمثل الاستخدامات الحكومية الأخرى ما يزيد قليلاً عن 1% من الاستهلاك العالمي لأشباه الموصلات.

فقد انخفضت حصة الولايات المتحدة في الإنتاج العالمي لأشباه الموصلات من 37% في عام 1990 إلى 12% اليوم، ومن المتوقع أن تشهد المزيد من الانحدار من دون استراتيجية أميركية شاملة لدعم الصناعة.

القدرة التصنيعية في الولايات المتحدة غير كافية: لقد ظلت القدرة التصنيعية في الولايات المتحدة في انحدار لعقود من الزمن. كان العقد الأول من هذا القرن مدمرا بشكل خاص بالنسبة للتصنيع في الولايات المتحدة، مع خسارة ثلث وظائف التصنيع في الفترة بين عامي 2000 و 2010. وكانت الشركات الصغيرة والمتوسطة الحجم هي الأكثر تضررا بشكل خاص. ويمكن أن يعزى جزء من هذا الانخفاض إلى المنافسة من البلدان ذات الأجور المنخفضة. ويقدر خبراء الاقتصاد أن نحو 25% من فقدان الوظائف يمكن أن يعزى إلى صعود الصين، خاصة بعد انضمام البلاد إلى منظمة التجارة العالمية. لكن الولايات المتحدة شهدت أيضاً ركود نمو الإنتاجية المحلية مقارنة بنظيراتها الاقتصادية، على سبيل المثال، متخلفة عن ألمانيا في المتوسط ​​وفي أغلب الصناعات. اليوم، الشركات الصغيرة في الولايات المتحدة عادة ما تكون أقل إنتاجية من الشركات المصنعة الكبيرة. وخلافا للاعتقاد الشائع بأن الذكاء الاصطناعي والروبوتات أصبحا قاب قوسين أو أدنى، فإن الشركات المصنعة للشركات الصغيرة والمتوسطة الحجم في الولايات المتحدة لا تستثمر بالقدر الكافي في التكنولوجيات الجديدة المعززة للإنتاجية. يؤدي فقدان القدرة التصنيعية إلى فقدان القدرة على الابتكار. القدرة على التصنيع هي أساس ابتكار المنتجات. وبمجرد فقدان القدرة على الابتكار، يصبح من الصعب إعادة البناء. عندما انتقلت قدرة الدوائر المتكاملة إلى الخارج في العقود الأخيرة، غالبًا ما تبعها البحث والتطوير وسلسلة التوريد الصناعية الأوسع.

(2) سلسلة التوريد لمنتجات أشباه الموصلات

من التصميم إلى التعبئة والتغليف إلى التكامل في المنتجات الإلكترونية النهائية التي يشتريها العملاء، تعد السلسلة الصناعية معقدة للغاية ومنتشرة جغرافيًا. تتضمن عملية إنتاج أشباه الموصلات النموذجية بلدانًا متعددة وقد تعبر المنتجات الحدود الدولية 70 مرة بسبب تخصص الشركة في روابط محددة. تستغرق العملية برمتها ما يصل إلى 100 يوم، منها 12 يومًا يتم نقلها بين روابط سلسلة التوريد. فيما يلي تمثيل بسيط لسلسلة التوريد.

يعد الحجم الصغير والوزن الخفيف لمنتجات أشباه الموصلات من العوامل المهمة في تحقيق سلسلة التوريد المعقدة عبر الجغرافيا. تكلفة شحن منتجات أشباه الموصلات منخفضة مقارنة بقيمتها. ومع ذلك، فهذا يعني أيضًا أن تعطيل طرق النقل يمكن أن يشكل خطرًا على سلسلة التوريد. يجب استخدام أشكال مختلفة من وسائل النقل (على سبيل المثال، الجو، البحر، الشاحنات) في السلسلة، اعتمادًا على المرحلة والمسافة المراد قطعها، بالإضافة إلى طبيعة المنتج. وفي بعض الحالات، يتطلب النقل أيضًا معالجة متخصصة، مثل التعامل مع الغازات والمواد الكيميائية الخطرة وعالية النقاء المستخدمة في التصنيع، أو حماية المعدات الإلكترونية الحساسة من التلف.

تصنيع أشباه الموصلات: الهيكل الصناعي

المصانع التي تعالج الرقائق وتصنع الدوائر المتكاملة لديها نموذجان أساسيان للأعمال. الأولى هي شركة أشباه الموصلات المتكاملة رأسياً أو مؤسسة IDM. إنهم ينفذون جميع خطوات تصميم منتجات أشباه الموصلات وعملية التصنيع داخل الشركة، بدءًا من التصميم وحتى الاختبار النهائي. تمثل شركات IDM حوالي ثلثي القدرة العالمية لأشباه الموصلات. على الرغم من أن شركة Intel، الشركة الرائدة في مجال IDM في الولايات المتحدة، تنتج بشكل أساسي أجهزة منطقية، إلا أن معظم شركات IDM الأخرى تنتج بشكل أساسي شرائح الذاكرة مثل DRAM والأجهزة المنفصلة والدوائر المتكاملة التناظرية. بالإضافة إلى إنتل، تعد الولايات المتحدة موطنًا للعديد من شركات IDM الرائدة في العالم، بما في ذلك الأجهزة التناظرية، ومنتجات مكسيم المتكاملة، وتقنية الرقائق الدقيقة، وميكرون، في مجال أشباه الموصلات وأدوات تكساس. ومن الجدير بالذكر أنه على الرغم من أن المقر الرئيسي لهذه الشركات يقع في الولايات المتحدة، إلا أنها تقوم بتصنيع منتجاتها النهائية في المصانع حول العالم. وبالإضافة إلى الولايات المتحدة، على سبيل المثال، تمتلك شركة إنتل مصانع لمعالجة الرقائق في إسرائيل، وإيرلندا، والصين. وسامسونج، التي يوجد مقرها في كوريا الجنوبية، وغيرها من الشركات الأجنبية (غير الأمريكية) لديها مصانع شرائح في الولايات المتحدة بالإضافة إلى مصانعها الخارجية (غير الأمريكية). ووفقاً لتقرير SIA، فإن 44% من قدرة شركات أشباه الموصلات الأمريكية تقع في الولايات المتحدة. بشكل عام، استحوذت شركات IDM في الولايات المتحدة على 51% من إجمالي إيرادات التشغيل لمصنعي IDM العالميين في عام 2020. والولايات المتحدة قوية بشكل خاص في الدوائر المتكاملة ذات المنطق الرقمي والدوائر المتكاملة التناظرية.

هناك شركات أخرى رائدة في مجال منتجات أشباه الموصلات الأمريكية (على سبيل المثال، AMD وnvidia وbroadcom وQualcomm وGame Spirit) هي نموذج الأعمال "لا توجد شركات تصنيع أشباه الموصلات"، وستقوم الشركة بتصميم البيانات لتوفير شركة مستقلة متخصصة في تصنيع مسبك أشباه الموصلات، من قبل شركات المسبك في تصنيع وتجهيز منتجات الرقائق. يتم تصنيف هذه المسابك التابعة لجهات خارجية على أنها "مسابك لأشباه الموصلات النقية" لأنها لا تصمم أو تبيع أيًا من منتجات الرقائق الخاصة بها، ولكنها تعمل بدلاً من ذلك كمصنعين متعاقدين لشركات أشباه الموصلات غير المصنعة (توفر هذه المسابك أحيانًا سعة إضافية أو تنتج شرائح معينة لـ IDM الباعة). بعض شركات IDM، ولا سيما Samsung، تقدم أيضًا خدمات المعالجة لشركات أشباه الموصلات الخالية من العيوب.

مع تقدم التكنولوجيا والارتفاع الكبير في تكلفة بناء وصيانة أحدث مرافق تصنيع أشباه الموصلات، أصبح نموذج الأعمال التجارية للمسبك والمؤسسة fabless أكثر شيوعًا. يتطلب التقدم المستمر في تكنولوجيا تصنيع الرقائق معدات تصنيع جديدة تمامًا ومكلفة بشكل متزايد. تكلف المصانع الحديثة (في عقد معالجة 5 نانومتر) ما لا يقل عن 12 مليار دولار. يمكن لآلة طباعة حجرية واحدة تعمل بالأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV)، والتي تكون مطلوبة عند 5 نانومتر أو أقل وتستخدم غالبًا عند 7 نانومتر، أن تكلف ما يصل إلى 150 مليون دولار. بالإضافة إلى آلات الطباعة الحجرية الضوئية، تحتاج المصانع إلى العديد من الأنواع الأخرى من المعدات. وتشير التقديرات إلى أن الاستثمار اللازم للجيل القادم من المصانع، التي ستعمل على عقد 3 نانومتر، قد يتجاوز 20 مليار دولار. بالإضافة إلى ذلك، بعد إنشاء المصانع الجديدة، ستكون تكاليف التشغيل مرتفعة للغاية وتتطلب استثمارًا رأسماليًا مستمرًا ومكلفًا؛ ومن الضروري أيضًا الحفاظ على أحدث التقنيات التي يطلبها مصممو العمليات لمواصلة العمل في نقاط الإنتاج الأكثر تقدمًا. تستفيد المسابك النقية من وفورات الحجم التي تسمح لها باستيعاب واستيعاب التكاليف الضخمة لمصانع أشباه الموصلات مع الاستفادة العالية والفعالة من القدرات. وتمثل المسابك النقية حوالي ثلث قدرة الرقائق العالمية، وفقًا لـ SIA. من بينها، يمثل إنتاج الرقائق المنطقية ما يقرب من 80٪. تأسست شركة تايوان لتصنيع أشباه الموصلات (TSMC)، وهي أول مسبك للرقائق النقية في العالم، في عام 1987 وتهيمن على سوق المسابك اليوم.

وتهيمن الشركات التايوانية على سوق التصنيع التعاقدي، حيث تمثل شركة TSMC وحدها 53 في المائة من السوق. وبشكل عام، تمثل شركات المسابك التايوانية 63 في المائة من سوق المسابك العالمية. وتمثل كوريا الجنوبية 18% والصين 6%. تمتلك شركة جلوبال فاوندريز، وهي شركة مسبك مقرها الولايات المتحدة ومملوكة لأبو ظبي، حصة قدرها 7 في المائة، وهو ما يمثل أكثر من نصف الـ 13 في المائة المتبقية من سوق المسابك.

كما ذكرنا سابقًا، على الرغم من أن الولايات المتحدة تتمتع بحصة سوقية كبيرة في الرقائق التي تنتجها شركات IDM، إلا أنها لا تمثل سوى حوالي 10% من إيرادات المسابك العالمية. وتمثل المسابك الآسيوية حوالي 80% من الإجمالي. وتمثل تايوان وحدها 63 في المائة من التصنيع التعاقدي العالمي. وهذا يعني أنه على الرغم من أن الولايات المتحدة رائدة في تصميم أشباه الموصلات، فإن شركاتها المحلية تعتمد بشكل كبير على الشركات المصنعة للعقود الأجنبية، وأغلبها في آسيا، لتصنيع منتجاتها. على الرغم من أن نموذج أعمال الوكيل هذا مناسب لمنتجات الدوائر المتكاملة للتطبيقات التجارية كبيرة الحجم، إلا أن العديد من التطبيقات ذات الصلة تكون على دفعات صغيرة، مما يجعل اعتماد تقنيات تصنيع أشباه الموصلات المتقدمة للتطبيقات غير مؤكد وصعب.

بالنسبة للولايات المتحدة، فإن الغالبية العظمى من تصنيع أشباه الموصلات (في كل من نماذج IDM والمسبك) تتم في الخارج: تايوان وكوريا الجنوبية واليابان والصين والولايات المتحدة. ويوجد حوالي 12% من قدرة تصنيع أشباه الموصلات في العالم في الولايات المتحدة، بعد أن كانت 37% في التسعينيات. وفي عام 1990، شكلت تايوان حوالي 2019% من القدرة المركبة العالمية، تليها كوريا الجنوبية بنسبة 20%. وشكلت اليابان 19 في المائة، والصين 17 في المائة، وأوروبا 16 في المائة. أما النسبة المتبقية البالغة 9% فتقع في سنغافورة وإسرائيل وأجزاء أخرى من العالم.

من بين 40 منشأة رئيسية لتصنيع أشباه الموصلات الموجودة في الولايات المتحدة، يستخدم نصفها (20) رقائق بقطر 300 مم (12 بوصة)؛ يستخدم الإنتاج الآخر رقائق بحجم 200 مم (8 بوصات) أو أقل. بين عامي 2009 و2018، تم إغلاق أكثر من 100 مصنع لتصنيع الرقائق بحجم 150-200 ملم في جميع أنحاء العالم، مع 70% من عمليات الإغلاق في الولايات المتحدة واليابان. وفقًا لشركة IC Insights، فإن ما يصل إلى 68 مصنعًا لتصنيع الرقائق يبلغ عمرها عقودًا من الزمن، وهو ما يتجاوز عمرها الافتراضي المعقول. ويتم استبدال المصانع المغلقة جزئيًا بمرافق جديدة أكثر فعالية من حيث التكلفة أو يتم تحديثها؛ هناك أيضًا بعض المصانع المصنعة التي تكون تكاليف تشغيلها باهظة للغاية، وتتجه الشركات إلى المصانع الخفيفة أو نماذج الأعمال غير المصنعة

محلياً، تقوم ست شركات بتشغيل 20 مصنعاً من عيار 300 ملم في ثماني ولايات، كما هو مفصل في الجدول أدناه. بالإضافة إلى سكوربيوس، هناك خمس شركات أخرى تدير أيضًا مصانع للرقائق خارج الولايات المتحدة.

وكما هو مذكور أعلاه، لدى إنتل عمليات تصنيع لأشباه الموصلات في إسرائيل وإيرلندا والصين. وبالإضافة إلى مصانعها المصنعة في الولايات المتحدة، تدير ميكرون مصانع مصنعة في سنغافورة واليابان وتايوان. تمتلك شركة Texas Instruments إنتاجًا للرقائق في الصين وماليزيا وتايوان والفلبين، وكذلك في تكساس. تعد "جلوبال فاوندريز" من أبرز مسابك الرقاقات النقية في الولايات المتحدة، وهي مملوكة لإمارة أبوظبي من خلال صندوق الثروة السيادية "مبادلة"، ولديها مرافق لتصنيع الرقاقات في ألمانيا وسنغافورة. وفي عام 2019، ألغت الشركة خططها لفتح مصنع مصنع في تشنغدو، الصين.

وفي حين أن قدرة تصنيع الرقائق في الولايات المتحدة مستقرة نسبيا، فإن القدرة والإنتاج خارج الولايات المتحدة آخذة في النمو، وخاصة في آسيا. ونتيجة لذلك، تتوقع SIA أن حصة الولايات المتحدة من قدرة أشباه الموصلات سوف تنخفض إلى 10 في المائة بحلول عام 2030، في حين أن حصة آسيا سوف تنمو إلى 83 في المائة. في عام 2019، لم تكن أي من منشآت تصنيع أشباه الموصلات الستة الجديدة التي تم افتتاحها في العالم موجودة في الولايات المتحدة، ولكن أربعة منها كانت في الصين.

كما تمت مناقشته في قسم "التصميم" في هذا التقرير، يتم تناول ثلاثة أنواع رئيسية من الرقائق: الذاكرة والمنطق أو الرقمي والتناظري. كما يوضح الرسم البياني أدناه، تتخصص أجزاء مختلفة من العالم في مجالات مختلفة. على سبيل المثال، يتم إنتاج 5% فقط من رقائق الذاكرة في الولايات المتحدة، مقارنة بنسبة 44% في كوريا الجنوبية و14% في البر الرئيسي للصين. وفي الذاكرة، ركزت الصين على التوسع السريع لشركة تشانغجيانغ للتخزين، وخصصت 24 مليار دولار في هيئة إعانات دعم للشركة (لمصنعها في ووهان وحده). ويشكل توسعها ومنتجاتها منخفضة الأسعار تهديدًا مباشرًا لشركة MICron وWestern Digital، صانعي شرائح الذاكرة الأمريكية.

وفي الرقائق المنطقية أو الرقمية (مثل أجهزة الكمبيوتر والمعالجات الدقيقة للهواتف المحمولة)، لا تنتج الولايات المتحدة أي عقد معالجة متقدمة (أقل من 10 نانومتر)، في حين تنتج تايوان 92 في المائة. في مجال تكنولوجيا القفل المنطقي الأخرى، تتصدر الولايات المتحدة بشكل كبير: 43% من الرقائق المنطقية الأكثر تقدمًا (10-22 نانومتر)، و6% إلى 9% من الجيل السابق (28 نانومتر وAB)ove) يتم إنتاج الرقائق المنطقية في الولايات المتحدة؛ وتنتج تايوان 47% من هذه الرقائق المنطقية، بينما تنتج الصين ما يقرب من 19 إلى 23% من الرقائق المنطقية. أخيرًا، بالنسبة لقطاع المكونات التناظرية/المنفصلة، ​​يتم إنتاج 19% في الولايات المتحدة، و17% في الصين، وحوالي 27% في كوريا.

(4) مراجعة تصنيع الدوائر المتكاملة

تفتقر الولايات المتحدة إلى القدرة الإنتاجية على المستوى التكنولوجي الأكثر تقدمًا:

وتفتقر الولايات المتحدة إلى القدرة على إنتاج أشباه الموصلات لعقد معالجة أشباه الموصلات الأكثر تقدما (حاليا 5 نانومتر)، والتي يتم تشغيلها حاليا فقط من قبل TSMC (تايوان) وسامسونج (كوريا الجنوبية). إن FAB الأكثر تقدمًا في الولايات المتحدة هو خط المعالجة 10 نانومتر الذي تديره شركة Intel، والذي من غير المتوقع أن يدخل إنتاج 7 نانومتر بالكامل حتى عام 2023، وأعلن في يناير 2021 أنه سيستخدم TSMC 7 نانومتر أو تحت خط الإنتاج لأحدث منتجات الدوائر المنطقية. ونتيجة لذلك، تعتمد شركات الرقائق الأمريكية الآن بشكل شبه كامل على المنتجين الآسيويين، وخاصة TSMC، لإنتاج الرقائق الأكثر تقدمًا (7 نانومتر أو أصغر). وبالإضافة إلى مخاطر سلسلة التوريد الناجمة عن التركيز الجغرافي للإنتاج، فإن الافتقار إلى القدرات التكنولوجية المحلية المتطورة يثير مخاوف تتعلق بالأمن القومي، حيث تتطلب بعض التطبيقات الوصول الآمن إلى تكنولوجيا العمليات المتطورة لضمان التفوق التكنولوجي.

تعتمد الإيرادات من مبيعات منتجات الرقائق على الصين:

ويعتمد صانعو الرقائق الأمريكيون أيضًا بشكل كبير على المبيعات إلى الصين بسبب هيمنتها على إنتاج الإلكترونيات. تعد الصين أكبر سوق لأشباه الموصلات، والتي يتم إعادة تصدير معظمها حيث يتم تجميعها في الإلكترونيات الطرفية، بما في ذلك الإلكترونيات والأجهزة الاستهلاكية. على سبيل المثال، حصلت شركة كوالكوم، موردة شرائح الهاتف المحمول، على ثلثي إيراداتها من الصين، في حين حصلت شركة ميكرون لصناعة الذاكرة على 57% من إيراداتها من الصين، وفقًا لبيانات عام 2018 من مجلة الإيكونوميست. ذكرت شركة إنتل في عام 2020 أن الصين تمثل 26 بالمائة من إيراداتها. إن الاعتماد الكبير على المبيعات الصينية يوفر للحكومة الصينية نفوذًا اقتصاديًا وإمكانية الانتقام من الولايات المتحدة.

رغبة الصين في قيادة صناعة أشباه الموصلات:

وحصة الصين في صناعة أشباه الموصلات العالمية صغيرة نسبيا، وتقوم شركاتها بشكل رئيسي بتصنيع رقائق منخفضة التكلفة. SMIC، المسابك النقية الأكثر تقدمًا في الصين، لا يمكنها الإنتاج إلا على عقد بحجم 14 نانومتر ولديها قدرة محدودة. ومع ذلك، فإن الصين في خضم جهود كبيرة تقودها الدولة لتطوير صناعة IDM المحلية المتكاملة رأسياً، بهدف جعل الصناعة رائدة في جميع المجالات بحلول عام 2030. وبلغت حصة الصين من قدرة رقائق أشباه الموصلات 16 في المائة في عام 2019، ولكن من المتوقع أن تنمو إلى 28 في المائة بحلول عام 2030. وتقدم الحكومة الصينية دعماً بقيمة 100 مليار دولار لصناعة أشباه الموصلات، بما في ذلك تطوير 60 مصنعاً جديداً. كما تمت مناقشته في جزء "التصميم" من سلسلة التوريد، قامت الصين بدعم قوي لصانعي شرائح الذاكرة لديها لكسر اعتمادها على أكبر ثلاث شركات للذاكرة في العالم: سامسونج (كوريا الجنوبية)، وإس كيه هاينكس (كوريا الجنوبية)، وميكرون (الولايات المتحدة). ). تعد شركة Micron، وهي شركة ذاكرة أمريكية، منافسًا مباشرًا لشركة Changjiang للتخزين ومن المرجح أن تكون أول شركة أمريكية ترى قدرتها التنافسية والابتكارية المستقبلية مهددة بسبب الدعم الصيني لمنافسيها.

إخلاء المسؤولية: تمت إعادة طباعة هذا المقال من "حديث مطعم السيد وانغ"، وهذا المقال يمثل فقط آراء المؤلف الشخصية، ولا يمثل آراء Sakwei والصناعة، فقط لإعادة الطباعة والمشاركة، ودعم حماية حقوق الملكية الفكرية، وإعادة الطبع يرجى الإشارة إلى المصدر الأصلي والمؤلف، وفي حالة وجود انتهاك، يرجى الاتصال بنا للحذف.