[مقدمه] در فوریه 2021، جو بایدن، رئیس سیتی‌گروپ، فرمان اجرایی شماره 14017 را امضا کرد که دولت او را ملزم به انجام بررسی جامع زنجیره‌های تأمین در چهار حوزه اصلی، از جمله نیمه‌هادی‌ها، باتری‌های انرژی جدید، مواد معدنی کمیاب و لوازم پزشکی، برای شناسایی خطرات، رسیدگی به آسیب‌پذیری‌ها و تدوین استراتژی‌هایی برای بهبود تاب‌آوری زنجیره تأمین می‌کرد. هنگامی که فرمانده این فرمان را امضا کرد، ضرب‌المثل «به دلیل نبود میخ، نعل دور انداخته می‌شود. به دلیل نبود نعل، اسب گم می‌شود» را نقل کرد و این روند تا سقوط پادشاهی ادامه یافت. کوچکترین نقص در زنجیره تأمین می‌تواند بر ایمنی، مشاغل، خانواده‌ها و جوامع آمریکایی تأثیر بگذارد. برای انجام این بررسی جامع، دولت بایدن یک کارگروه داخلی ایجاد کرد که بیش از دوازده وزارتخانه و آژانس فدرال را پوشش می‌دهد. مقامات دولتی با کارگران، کسب‌وکارها، مؤسسات دانشگاهی، کنگره و متحدان و شرکای ایالات متحده مشورت کرده‌اند تا آسیب‌پذیری‌ها را شناسایی کرده و راه‌حل‌هایی را توسعه دهند.

گزارش ارزیابی بررسی ایالت سیتی در ژوئن 2021 ارائه می شود.

1. درباره نیمه هادی ها

نیمه هادی ها اساس مادی مدارهای مجتمع هستند که برای زندگی روزمره مدرن ضروری هستند. نیمه هادی ها بخشی جدایی ناپذیر از زندگی روزمره مصرف کنندگان مدرن هستند که در اقلام خانگی مانند کلیدهای برق، درب بازکن های گاراژ و یخچال ها و همچنین در تلفن های همراه، رایانه ها و اتومبیل ها یافت می شوند. در محصولات پیچیده تر یافت می شود. افراد مدرن هر روز از آن استفاده می کنند (مثلاً هر ساعت، هر دقیقه، هر ثانیه). مدارهای مجتمع مبتنی بر نیمه هادی ها "DNA" انواع فناوری ها هستند که به طور اساسی همه حوزه های اجتماعی-اقتصادی، از کشاورزی، حمل و نقل، مراقبت های بهداشتی، مخابرات و اینترنت را تغییر داده اند. صنعت نیمه هادی موتور اصلی رشد اقتصادی و ایجاد شغل در سیتی است. تقریباً تمام محصولات تکنولوژیکی از نیمه هادی ها جدایی ناپذیرند. البته پیشرفته ترین سیستم ها نیز از پشتیبانی نیمه هادی ها جدا نیستند.

این گزارش تخمین می زند که صنعت نیمه هادی ایالات متحده در سال 208 فروش سالانه 2020 میلیارد دلاری خواهد داشت که تقریباً نیمی از بازار جهانی را به خود اختصاص می دهد. علیرغم همه گیری جهانی کووید-19، فروش جهانی محصولات نیمه هادی در سال 6.5 2020 درصد افزایش یافت. بر اساس برآوردهای SIA، بازار جهانی نیمه هادی ها تا سال 726 به فروش سالانه 2027 میلیارد دلاری با نرخ رشد مرکب سالانه 4.7 درصد خواهد رسید. نیمه هادی ها یکی از صادرات عمده ایالات متحده هستند و فروش صادراتی آن به 47 میلیارد دلار در سال 2020 می رسد و پس از هواپیما، نفت تصفیه شده و نفت خام در رتبه چهارم قرار دارد.

اگرچه صنعت نیمه هادی ایالات متحده تقریباً نیمی از درآمد جهانی محصولات نیمه هادی را تشکیل می دهد، گزارش ارزیابی معتقد است که ظرفیت تولید نیمه هادی ایالات متحده به عنوان سهمی از تولید جهانی از 37 درصد در 20 سال پیش به حدود 12 درصد امروز کاهش یافته است. کسب‌وکارهای ایالات متحده، از جمله شرکت‌های بزرگ نیمه‌رساناهای بی‌سابقه، به شدت به کشورهای خارجی، به‌ویژه در آسیا، وابسته هستند که ریسک‌های زنجیره تامین را ایجاد می‌کند.

گزارش تحقیق زنجیره تامین نیمه هادی را از طریق پنج بخش اساسی مرتبط بررسی می کند: (1) طراحی. (2) تولید؛ (3) مونتاژ، آزمایش و بسته بندی؛ (4) مواد؛ و (5) تجهیزات تولید.

2. نتیجه گیری اساسی:

طرح:

اکوسیستم طراحی نیمه هادی ایالات متحده قوی و پیشرو در جهان است، اما شرکت های آمریکایی به شدت به فروش به چین برای حفظ رشد سود و سرمایه گذاری داخلی (توجه: داخلی) تحقیق و توسعه (R&D) متکی هستند. علاوه بر این، شرکت‌های طراحی ایالات متحده عمدتاً به مالکیت معنوی محدود (IP)، نیروی کار و منابع تولیدی برای انجام تجارت متکی هستند. این منابع برای عرضه محصولات به بازار حیاتی هستند.

ساخت:

ایالات متحده فاقد ظرفیت کافی برای تولید نیمه‌هادی است. ایالات متحده عمدتاً برای تأمین تراشه‌های منطقی در گره‌های پردازش پیشرفته به تایوان متکی است و برای تأمین تقاضا برای تراشه‌های گره پردازش بالغ به تایوان، کره جنوبی و سرزمین اصلی چین متکی است.

بسته بندی آزمایش شده و پیشرفته:

ایالات متحده برای بسته بندی و آزمایش نیمه هادی های نیمه هادی با فناوری نسبتاً پایین، به شدت به منابع خارجی متمرکز در آسیا متکی است. علاوه بر این، با پیچیده‌تر شدن تراشه‌ها، روش‌های بسته‌بندی پیشرفته منطقه‌ای بالقوه برای پیشرفت‌های تکنولوژیکی بزرگ در آینده است. ایالات متحده فاقد اکوسیستم مواد لازم است و ایالات متحده مکان مقرون به صرفه ای برای توسعه یک صنعت بسته بندی پیشرفته قوی نیست و سرمایه گذاری سنگین چین می تواند بازار را متحول کند.

مواد:

تولید نیمه هادی ها به صدها ماده نیاز دارد که چالش هایی را برای زنجیره تامین تولید ایجاد می کند. بسیاری از گازها و مواد شیمیایی مرطوب مورد استفاده در تولید نیمه هادی ها در ایالات متحده تولید می شوند، اما تامین کنندگان خارجی بر بازار ویفرهای سیلیکونی، ماسک های نوری و مقاوم در برابر نور تسلط دارند.

تجهیزات ساخت:

علاوه بر ماشین‌های لیتوگرافی، برای اکثر تجهیزات فرآیند ساخت نیمه‌هادی، شرکت‌های آمریکایی سهم بزرگی از جهان را در اختیار دارند.

علاوه بر ایالات متحده، تولید تجهیزات تولیدی در هلند و ژاپن متمرکز است. با توجه به اندازه محدود تولید نیمه هادی در ایالات متحده، رشد این سازندگان تجهیزات به شدت وابسته به فروش در خارج از ایالات متحده است.

3. درباره طراحی مدار مجتمع

از لحاظ تاریخی، در مرحله اولیه توسعه صنعت نیمه هادی (تراشه)، طراحی مدارهای مجتمع یک صنعت مستقل نبود. طراحی مدارهای مجتمع توسط شرکت های IDM انجام می شود که کل فرآیند تولید را کنترل می کنند. مانند اینتل و تگزاس اینسترومنت در ایالات متحده نمایندگان معمولی چنین شرکت هایی هستند. امروزه طراحی آی سی به طور فزاینده ای توسط "شرکت های طراحی فابل" تخصصی تر انجام می شود که به شرکت های تولیدی مستقل (ریخته گری) برای تکمیل ساخت IC ها متکی هستند. افزایش ریخته‌گری‌ها و سرمایه‌گذاری‌های مرتبط، ورود به صنعت طراحی مدارهای مجتمع را آسان‌تر کرده است. این امر منجر به غلظت قابل توجهی کمتر در صنعت طراحی مدارهای مجتمع نسبت به تولید و ساخت تجهیزات می شود و تولید مدارهای مجتمع را به شدت به تایوان وابسته می کند.

اگرچه موانع ورود کم است، شرکت‌های طراحی فابل باید از نزدیک با ریخته‌گری‌ها همکاری کنند تا از مناسب بودن طرح‌ها برای فرآیند تولید اطمینان حاصل کنند، و به تامین‌کنندگان IP (معمولاً سایر شرکت‌های نیمه‌رسانا که فناوری‌های کلیدی را توسعه می‌دهند)، و همچنین اتوماسیون طراحی‌های الکترونیکی (EDA) متکی هستند. پشتیبانی شرکت نرم افزاری هر دو مرحله بالادست و پایین دست صنعت طراحی آی سی بسیار متمرکز هستند. ارائه‌دهندگان مهم IP و ارائه‌دهندگان EDA عمدتاً در ایالات متحده مستقر هستند، اما اکثر پزشکان آنها در خارج از ایالات متحده واقع شده‌اند.

ساختار صنعتی

با توجه به انواع مختلفی از محصولاتی که شرکت ها در آن فعالیت می کنند، مقیاس، فناوری و ساختار شرکت هایی که در زمینه طراحی نیمه هادی یا مدار مجتمع فعالیت می کنند بسیار متفاوت است. این گزارش نیمه هادی های مدار مجتمع را به سه نوع اصلی تقسیم می کند: مدارهای منطقی یا دیجیتال، مدارهای حافظه و آنالوگ. در سال 2020، مدارهای مجتمع منطقی یا دیجیتال حدود 42 درصد از کل سهم بازار را تشکیل می دهند. محصولات حافظه حدود 26 درصد را تشکیل می دهند. مدارهای مجتمع آنالوگ حدود 14 درصد را تشکیل می دهند. سایر محصولات نیمه هادی، محصولات مدارهای مجتمع نیستند، از جمله دستگاه های گسسته، دستگاه های الکترونیک نوری و دستگاه های حسگر.

مدارهای مجتمع منطقی یا دیجیتالی واحدهای اساسی رایانه یا اجزای محاسباتی هستند و بزرگترین دسته در بازار محصولات نیمه هادی هستند. بر اساس گزارش انجمن جهانی نیمه هادی SIA، تراشه های منطقی 42 درصد از درآمد صنعت را تشکیل می دهند. در این دسته از محصولات نیمه هادی، تمرکز بازار و تعداد شرکت های طراحی به شدت به نوع تراشه خاص بستگی دارد. بازارهای واحد پردازش مرکزی رایانه شخصی (CPU)، واحد پردازش گرافیکی اختصاصی (GPU) و آرایه دروازه قابل برنامه ریزی میدانی (FPGA) اساساً دو قطبی هستند. تامین کنندگان مدارهای مجتمع ویژه برنامه (ASIC) بسیار پراکنده هستند و رقابت آنها شدیدتر است. دسته بندی محصولات شامل پردازنده های دستگاه تلفن همراه مبتنی بر ASIC و ARM است. CPU واحد پردازش مرکزی کامپیوتر است، GPU پردازنده ای است که برای رندر ویدیو استفاده می شود، محصول FPGA برای پیکربندی توسط مشتری یا طراح پس از ساخت استفاده می شود و ASIC یک تراشه سفارشی است که برای یک برنامه خاص طراحی شده است.

این گزارش معتقد است که ایالات متحده در طراحی مدارهای مجتمع پیشرو در جهان است و بسیاری از شرکت ها از تولید برون سپاری یا قرار دادن طراحان در خارج از ایالات متحده برای کاهش هزینه های سرمایه ای استفاده می کنند. اساساً تمام پردازنده‌های کامپیوترهای شخصی در جهان توسط شرکت‌های آمریکایی اینتل و AMD طراحی شده‌اند که در میان آنها اینتل تولید تراشه را در داخل کامل می‌کند، در حالی که AMD برای تکمیل ساخت تراشه به ریخته‌گری متکی است. در همین حال، اینتل و AMD ممکن است به زودی بر دسته FPGA تسلط پیدا کنند، زیرا AMD در اکتبر 2020 اعلام کرد که قصد دارد Xilinx رهبر بازار FPGA را به قیمت 35 میلیارد دلار خریداری کند. اگر این خرید تاییدیه نظارتی را دریافت کند، AMD-Xilinx و Intel حدود 85 درصد از فروش جهانی FPGA را به خود اختصاص خواهند داد. سایر تامین کنندگان آمریکایی Microchip Technology، Lattice Semiconductor و Achronix Semiconductor باقیمانده بازار FPGA را تشکیل می دهند. سهم عمده GPU جهانی در اختیار AMD و شرکت پیشرو در بازار ایالات متحده NVIDIA است.

رقابت در پایه تامین کننده ASIC به طور قابل توجهی افزایش یافته است و تقاضا برای پردازنده های دستگاه تلفن همراه مبتنی بر معماری ARM زیاد است. تراشه‌سازانی مانند سامسونگ در بازارهای ASIC و پردازنده‌های موبایل در کنار شرکت‌های طراحی بی‌سابقه مانند Qualcomm و Broadcom و ده‌ها شرکت فناوری آمریکایی که تراشه‌های خود را طراحی می‌کنند، از جمله Apple، Alphabet و Amazon رقابت می‌کنند. به استثنای اینتل و میکروچیپ، اکثر تامین کنندگان CPU، GPU، FPGA، و ASIC در سراسر جهان و در ایالات متحده بی‌سابقه هستند و برای طراحی تراشه‌ها به تولید ریخته‌گری متکی هستند.

بر اساس گزارش SIA، تراشه های حافظه مورد استفاده برای ذخیره اطلاعات مورد نیاز برای محاسبات، 26 درصد از درآمد صنعت را تشکیل می دهند. تراشه های حافظه کاملاً تجاری و رقابتی هستند و مزایا و پیشرفت فناوری آنها کاملاً به بازده و صرفه جویی در مقیاس بستگی دارد. محصولات حافظه معمولاً توسط شرکت های نوع IDM ارائه می شوند. سامسونگ کره جنوبی و SK Hynix کره جنوبی در زمینه حافظه با دسترسی تصادفی پویا (DRAM) در جایگاه اول قرار دارند. شرکت آمریکایی Micron حدود 23 درصد دارد. رهبران سهم بازار اکنون در حال توسعه فن آوری های بسته بندی پیشرفته (به عنوان مثال انباشته قالب) و IP برای سایر محصولات پیشرو هستند. این سه شرکت تقریباً 95 درصد از 70 میلیارد دلار بازار جهانی در سال 2020 را به خود اختصاص داده اند.

تولید حافظه فلش (NAND) تمرکز کمتری دارد، به طوری که تخمین زده می شود شش شرکت حدود 99 درصد از بازار جهانی 47 میلیارد دلاری را در سال 2020 به خود اختصاص دهند. سامسونگ کره جنوبی نیز با بیش از یک سوم NAND، رهبر بازار محصولات حافظه فلش است. بازار. پس از سامسونگ کره جنوبی، کیوکسیا ژاپن (توشیبا سابق) قرار دارد که تقریباً 20 درصد سهم دارد. جایگاه سوم محصولات فلش مموری، شرکت وسترن دیجیتال ایالات متحده است که حدود 14 درصد از سهم را به خود اختصاص داده است. همچنین در این بخش SK Hynix در کره جنوبی (12%)، Micron در ایالات متحده (11%) و Intel در ایالات متحده (9%) قرار دارند. به نظر می رسد شرکت های جهانی NAND در حال آماده شدن برای ادغام بیشتر هستند. اینتل که درآمد محصول NAND آن مشابه Micron است، در اکتبر 2020 اعلام کرد که قصد دارد بیشتر تجارت حافظه NAND خود را به SK Hynix بفروشد. فروش این شرکت ترکیبی را به رتبه دوم در سهم بازار NAND سوق خواهد داد. همچنین گزارش هایی وجود دارد مبنی بر اینکه ممکن است وسترن دیجیتال و میکرون به دنبال خرید Kioxia باشند. علاوه بر این، Yangtze Memory Technologies (YMTC)، یک شرکت چینی که در سال 2 تأسیس شد، به سرعت در حال گسترش است و حدود 2016 میلیارد دلار یارانه دریافت کرده است. منابع دولتی چین این شرکت می تواند تا سال 24 قادر به تولید 200,000 ویفر در ماه باشد که بیش از دو برابر ظرفیت فعلی NAND اینتل است و یک تهدید بالقوه کم هزینه برای شرکت های حافظه آمریکایی است.

در مقایسه با تراشه های حافظه، تجاری سازی محصولات مدار مجتمع آنالوگ رقابتی کمتری دارد. و علاوه بر این، مدارهای آنالوگ به طور کلی کمتر به استفاده از نودهای فرآیند تولید وابسته هستند. استفاده نهایی در سیستم کاربردی، دانش و تجربه در طراحی تراشه عوامل مهمی در ارزش مدارهای مجتمع آنالوگ هستند. بنابراین، تمرکز بازار شرکت های تولید کننده در اینجا خیلی زیاد نیست، زیرا شرکت های مدار مجتمع آنالوگ می توانند با تمرکز بر حوزه آنالوگ، مزیت رقابتی خود را حفظ کنند. در سال 2020، بزرگترین تامین کننده مدارهای مجتمع آنالوگ در جهان، 62 درصد از بازار 56 میلیارد دلاری را به خود اختصاص داد که از این میان، تنها تگزاس اینسترومنتز بیش از 10 درصد از بازار را به خود اختصاص داد. بسیاری از شرکت‌های نیمه‌رسانای آنالوگ پیشرو، تولیدکنندگان «fab-lite» هستند، و برخی از تراشه‌هایی را که طراحی می‌کنند، در داخل می‌سازند، اگرچه بخش بزرگی از تراشه‌ها را نیز برون‌سپاری می‌کنند.

در سال 2020، فروش جهانی دستگاه های گسسته، دستگاه های الکترونیک نوری و حسگرها (نیمه هادی های غیر یکپارچه) در محصولات نیمه هادی تقریباً 79 میلیارد دلار خواهد بود که تقریباً 18٪ از کل بازار نیمه هادی ها را به خود اختصاص می دهد (در مجموع تقریباً 440 میلیارد دلار). اکثر محصولات نیمه هادی در این دسته در گره های فرآیند بالغ هستند که ارزان هستند و غیر معمول نیست که یک محصول واحد ارزش یک پنی داشته باشد. بازار چنین محصولاتی با تولید کنندگان متعدد به شدت پراکنده است. شرکت های نیمه هادی غیر IC شامل ABB Ltd. (سوئد/سوئیس)، Infineon Technologies (آلمان)، STM Microelectronics (ایتالیا/فرانسه)، توشیبا (ژاپن)، و همچنین شرکت های آمریکایی Diodes Inc.، Vishay Intertechnology، Qorvo، dPix و کری. فن آوری های کلیدی محرک برای محصولات نیمه هادی غیر یکپارچه، به ویژه محصولات نیمه هادی قدرت گسسته، نوآوری در مدیریت توان و کوچک سازی است. چنین محصولاتی از خودروها، به ویژه وسایل نقلیه الکتریکی، به عنوان پایانه های کاربردی اصلی استفاده می کنند. نیترید گالیوم (GaN)، کاربید سیلیکون (SiC) و سایر بسترهای نیمه هادی مرکب تحت تسلط ایالات متحده، فناوری های کلیدی برای کاربردهای مختلف هستند. آنها به طور گسترده ای در مدیریت و توزیع توان، تقویت توان فرکانس بالا، الکترونیک نوری و امنیت ملی استفاده می شوند. دستگاه های نیمه هادی صفحه نمایش تخت نیز در این دسته قرار می گیرند.

در زمینه امنیت ملی، فناوری نیمه‌رسانا باید برای استفاده در محدوده دما (محدوده گسترده) و محیط‌های خشن، از جمله ویژگی‌های فنی برای استفاده در محیط‌های تشعشع در صورت لزوم، واجد شرایط باشد. علاوه بر این، تأیید و اعتبار بخشی دقیق‌تر و مستقل‌تر مورد نیاز است. نیمه هادی هایی که در کاربردهای خودرویی استفاده می شوند باید دوام و الزامات آزمایشی دقیق را برای تحمل شرایط محیطی سخت (مانند سرمای شدید، گرمای شدید و رطوبت شدید) برآورده کنند. آنها باید در طول عمر 10 تا 20 ساله خودرو در مقابل لرزش و شوک مقاومت کنند و در آزمایشات میزان خرابی بسیار کمتری نسبت به نیمه هادی های مورد استفاده در محصولات مصرفی نشان داده اند تا اطمینان حاصل شود که الزامات ایمنی خودرو را برآورده می کنند. انتظار می‌رود این الزامات افزایش یافته و سخت‌تر شوند زیرا وسایل نقلیه خودمختارتر می‌شوند و از تشخیص و برد نور (LiDAR)، سونار، رادار، سیستم‌های بینایی و فناوری‌های ناوبری و شناسایی بیشتر و بیشتر استفاده می‌کنند.

سلب مسئولیت: این مقاله از "Whisper رستوران شراب آقای وانگ لائو" تکثیر شده است. این مقاله فقط دیدگاه های شخصی نویسنده را نشان می دهد، نه دیدگاه های Saco Micro و صنعت. این فقط برای چاپ مجدد و اشتراک گذاری است و از حمایت از حقوق مالکیت معنوی پشتیبانی می کند. لطفا منبع اصلی و نویسنده را برای چاپ مجدد ذکر کنید. ، در صورت وجود هرگونه تخلف، لطفا با ما تماس بگیرید تا آن را حذف کنیم.