(Segue la Parte I: Progettazione di circuiti integrati)

Quattro, sulla produzione di circuiti integrati

(I) Stime di base di Citigroup sull'industria manifatturiera dei circuiti integrati

I prodotti a semiconduttori guidano quasi tutti i settori dell’economia, tra cui energia, sanità, agricoltura, elettronica di consumo, produzione e trasporti. La domanda globale di uso finale di semiconduttori nel 2019 è: telefoni cellulari (26%), infrastrutture di informazione e comunicazione (inclusi data center, reti di comunicazione) (24%); Computer (19%), industria (12%), automobilistico (10%) ed elettronica di consumo (10%).

Di queste diverse applicazioni, circa il 9% supporta direttamente le applicazioni per la sicurezza nazionale e le infrastrutture critiche. Questi usi finali chiave dei prodotti semiconduttori includono il settore aerospaziale, le reti di telecomunicazioni, l'energia e i servizi pubblici, la sanità e i servizi finanziari. e altri usi governativi rappresentano poco più dell’1% del consumo globale di semiconduttori.

La quota statunitense della produzione globale di semiconduttori è scesa dal 37% del 1990 al 12% di oggi, e si prevede che diminuirà ulteriormente senza una strategia globale statunitense a sostegno del settore.

La capacità manifatturiera degli Stati Uniti è inadeguata: la capacità manifatturiera statunitense è in declino da decenni. Il primo decennio di questo secolo è stato particolarmente devastante per il settore manifatturiero statunitense, con la perdita di un terzo dei posti di lavoro tra il 2000 e il 2010. Le piccole e medie imprese (PMI) sono state particolarmente colpite. Parte del calo può essere attribuito alla concorrenza dei paesi a basso salario. Gli economisti stimano che circa il 25% della perdita di posti di lavoro possa essere attribuita all’ascesa della Cina, soprattutto dopo l’adesione del paese all’Organizzazione mondiale del commercio. Ma anche gli Stati Uniti hanno visto la crescita della produttività interna stagnare rispetto ai suoi omologhi economici, ad esempio restando indietro rispetto alla Germania in media e nella maggior parte dei settori. Oggi, le piccole imprese negli Stati Uniti sono generalmente meno produttive dei grandi produttori. Contrariamente alla credenza popolare secondo cui l’intelligenza ARTIFICIALE e la robotica sono dietro l’angolo, i produttori statunitensi di piccole e medie imprese stanno investendo poco in nuove tecnologie che migliorano la produttività. La perdita di capacità produttiva porta alla perdita di capacità di innovazione. La capacità produttiva è il fondamento dell’innovazione di prodotto. Una volta persa la capacità di innovazione, è difficile ricostruirla. Quando negli ultimi decenni la capacità del circuito INTEGRATO si è spostata all’estero, spesso ne sono seguiti la ricerca e lo sviluppo e la più ampia filiera industriale.

(2) Catena di fornitura dei prodotti a semiconduttori

Dalla progettazione al confezionamento fino all'integrazione nei prodotti elettronici finali acquistati dai clienti, la catena industriale è estremamente complessa e geograficamente dispersa. Un tipico processo di produzione di semiconduttori comprende più paesi e i prodotti possono attraversare i confini internazionali 70 volte a causa della specializzazione dell'azienda in collegamenti specifici. L'intero processo richiede fino a 100 giorni, di cui 12 giorni vengono trasferiti tra gli anelli della catena di fornitura. Quella che segue è una semplice rappresentazione della catena di fornitura.

Le dimensioni ridotte e la leggerezza dei prodotti a semiconduttori sono fattori importanti per realizzare una catena di fornitura intergeografica così complessa. Il costo di spedizione dei prodotti a semiconduttori è basso rispetto al loro valore. Tuttavia, ciò significa anche che l’interruzione delle vie di trasporto può rappresentare un rischio per la catena di approvvigionamento. Nella catena è necessario utilizzare diverse forme di trasporto (ad esempio aereo, marittimo, camion), a seconda della tappa e della distanza da percorrere, nonché della natura del prodotto. In alcuni casi, il trasporto richiede anche una movimentazione specializzata, come la gestione di gas e prodotti chimici pericolosi e di elevata purezza utilizzati nella produzione o la protezione di apparecchiature elettroniche sensibili da eventuali danni.

Produzione di semiconduttori: struttura industriale

Le fabbriche che trattano wafer e producono circuiti integrati hanno due modelli di business fondamentali. La prima è un'azienda di semiconduttori integrata verticalmente o un'impresa IDM. Eseguono internamente tutte le fasi del processo di progettazione e produzione dei prodotti a semiconduttori, dalla progettazione al collaudo finale. Le società IDM rappresentano circa i due terzi della capacità globale di semiconduttori. Sebbene Intel, la principale società IDM negli Stati Uniti, produca principalmente dispositivi logici, la maggior parte delle altre società IDM producono principalmente chip di memoria come DRAM, dispositivi discreti e circuiti integrati analogici. Oltre a Intel, gli Stati Uniti ospitano molte delle aziende IDM leader a livello mondiale, tra cui Analog Devices, Maxim Integrated Products, MicrochipTechnology, micron, on semiconductor e Texas Instruments. Vale la pena notare che, sebbene queste società abbiano sede negli Stati Uniti, producono i loro prodotti finali in fabbriche di tutto il mondo. Oltre agli Stati Uniti, ad esempio, Intel possiede impianti di lavorazione dei wafer in Israele, Irlanda e Cina. E Samsung, che ha sede in Corea del Sud, e altre società con sede all’estero (non americane) hanno fabbriche di chip negli Stati Uniti oltre a quelle all’estero (non americane). Secondo il rapporto SIA, il 44% della capacità delle aziende americane di semiconduttori si trova negli Stati Uniti. Nel complesso, le imprese IDM negli Stati Uniti hanno rappresentato il 51% del fatturato operativo totale dei produttori IDM globali nel 2020. Gli Stati Uniti sono particolarmente forti nei circuiti integrati logici digitali e nei circuiti integrati analogici.

Esistono altre aziende leader americane di prodotti a semiconduttori (ad esempio AMD, nvidia, broadcom e qualcomm e game spirit) è il modello di business "no fabs semiconductor Companies", la società progetterà i dati per fornire un'azienda indipendente specializzata nella produzione di fonderie di semiconduttori, dalle imprese di fonderia nella produzione e lavorazione di prodotti in trucioli. Queste fonderie di terze parti sono classificate come "fonderie di semiconduttori puri" perché non progettano né vendono nessuno dei propri prodotti chip, ma agiscono piuttosto come produttori a contratto per aziende di semiconduttori fabless (queste fonderie a volte forniscono capacità aggiuntiva o producono in altro modo determinati chip per IDM venditori). Alcune società IDM, in particolare Samsung, forniscono anche servizi di elaborazione per aziende di semiconduttori fabless.

Con l'avanzare della tecnologia e l'impennata dei costi di costruzione e manutenzione di impianti di produzione di semiconduttori all'avanguardia, il modello di business fabless enterprise + fonderia sta diventando sempre più comune. I continui progressi nella tecnologia di produzione dei chip richiedono apparecchiature di produzione completamente nuove e sempre più costose. Gli stabilimenti di produzione all'avanguardia (con nodi di processo a 5 nm) costano almeno 12 miliardi di dollari. Una singola macchina per litografia a ultravioletti estremi (EUV), necessaria per i nodi a 5 nm o inferiori e spesso utilizzata a 7 nm, può costare fino a 150 milioni di dollari. Oltre alle macchine per fotolitografia, gli stabilimenti di produzione richiedono molti altri tipi di apparecchiature. Si stima che l'investimento necessario per la prossima generazione di stabilimenti, che opereranno su nodi a 3 nm, potrebbe superare i 20 miliardi di dollari. Inoltre, dopo la realizzazione di nuovi stabilimenti, i costi operativi saranno molto elevati e richiederanno continui e costosi investimenti di capitale; è anche necessario mantenere la tecnologia all'avanguardia richiesta dai progettisti di processi per continuare a operare sui nodi di produzione più avanzati. Le fonderie pure beneficiano di economie di scala che consentono loro di assorbire e ammortizzare gli ingenti costi degli impianti di semiconduttori con un utilizzo della capacità produttiva elevato ed efficiente. Secondo la SIA, le fonderie pure rappresentano circa un terzo della capacità produttiva globale di chip. Tra queste, la produzione di chip logici rappresenta quasi l'80%. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), la prima fonderia di wafer pura al mondo, è stata fondata nel 1987 e oggi domina il mercato delle fonderie.

Il mercato della produzione conto terzi è dominato da aziende taiwanesi, con la sola TSMC che detiene il 53% del mercato. Complessivamente, le fonderie taiwanesi rappresentano il 63% del mercato globale delle fonderie. La Corea del Sud detiene il 18% e la Cina il 6%. GlobalFoundries, una fonderia con sede negli Stati Uniti e di proprietà di Abu Dhabi, ha una quota del 7%, pari a oltre la metà del restante 13% del mercato delle fonderie.

Come accennato in precedenza, sebbene gli Stati Uniti detengano un'ampia quota di mercato nei chip prodotti da aziende IDM (Integrated Design Manufacturer), rappresentano solo circa il 10% del fatturato globale delle fonderie. Le fonderie asiatiche ne rappresentano circa l'80%. Taiwan da sola detiene il 63% della produzione a contratto globale. Ciò significa che, pur essendo leader nella progettazione di semiconduttori, le aziende fabless statunitensi dipendono fortemente da produttori a contratto esteri, soprattutto asiatici, per la realizzazione dei loro prodotti. Sebbene questo modello di business basato su agenti sia adatto ai circuiti integrati per applicazioni commerciali ad alto volume, molte applicazioni correlate sono prodotte in piccoli lotti, il che rende l'adozione di tecnologie avanzate di produzione di semiconduttori incerta e complessa.

Negli Stati Uniti, la stragrande maggioranza della produzione di semiconduttori (sia in modalità IDM che in fonderia) avviene all'estero: Taiwan, Corea del Sud, Giappone, Cina e Stati Uniti. Circa il 12% della capacità produttiva mondiale di semiconduttori si trova negli Stati Uniti, in calo rispetto al 37% degli anni '1990. Nel 2019, Taiwan rappresentava circa il 20% della capacità installata globale, seguita dalla Corea del Sud con il 19%. Il Giappone rappresentava il 17%, la Cina il 16% e l'Europa il 9%. Il restante 6% della capacità è situato a Singapore, in Israele e in altre parti del mondo.

Dei 40 principali impianti di produzione di semiconduttori situati negli Stati Uniti, metà (20) utilizzano wafer da 300 mm (12 pollici); Altre produzioni utilizzano wafer da 200 mm (8 pollici) o meno. Tra il 2009 e il 2018, più di 100 impianti di produzione di wafer da 150-200 mm hanno chiuso in tutto il mondo, con il 70% delle chiusure negli Stati Uniti e in Giappone. Secondo IC Insights, ben 68 impianti di produzione di wafer hanno decenni di età, oltre la loro ragionevole durata di vita. Le fabbriche chiuse vengono in parte sostituite da nuove strutture più economiche o potenziate; Ci sono anche alcune fabbriche che sono troppo costose da gestire e le aziende si stanno rivolgendo a fabbriche leggere o a modelli di business favolosi

A livello nazionale, sei aziende gestiscono 20 stabilimenti da 300 mm in otto stati, come dettagliato nella tabella seguente. Oltre a Skorpios, altre cinque società gestiscono fabbriche di wafer al di fuori degli Stati Uniti.

Come già accennato, Intel ha stabilimenti di produzione di semiconduttori in Israele, Irlanda e Cina. Oltre agli stabilimenti negli Stati Uniti, Micron gestisce impianti a Singapore, Giappone e Taiwan. Texas Instruments produce wafer in Cina, Malesia, Taiwan e Filippine, oltre che in Texas. GlobalFoundries è la principale fonderia di wafer negli Stati Uniti, è di proprietà dell'emirato di Abu Dhabi tramite il fondo sovrano Mubadala e possiede impianti di produzione di wafer in Germania e Singapore. Nel 2019, l'azienda ha annullato i piani per l'apertura di uno stabilimento a Chengdu, in Cina.

Mentre la capacità di produzione di chip negli Stati Uniti è relativamente stabile, la capacità e la produzione al di fuori degli Stati Uniti stanno crescendo, soprattutto in Asia. Di conseguenza, la SIA prevede che la quota statunitense di capacità di semiconduttori scenderà al 10% entro il 2030, mentre la quota asiatica crescerà all'83%. Nel 2019, nessuno dei sei nuovi impianti di produzione di semiconduttori aperti nel mondo era negli Stati Uniti, ma quattro erano in Cina.

Come discusso nella sezione "Progettazione" di questo rapporto, vengono trattati tre tipi principali di chip: memoria, logici o digitali e analogici. Come mostra il grafico seguente, diverse parti del mondo sono specializzate in aree diverse. Ad esempio, solo il 5% dei chip di memoria viene prodotto negli Stati Uniti, rispetto al 44% della Corea del Sud e al 14% della Cina continentale. In memoria, la Cina si è concentrata sulla rapida espansione di Changjiang Storage, stanziando 24 miliardi di dollari in sussidi alla società (solo per il suo stabilimento di Wuhan). La sua espansione e i prodotti a basso prezzo rappresentano una minaccia diretta per MICron e Western Digital, produttori statunitensi di chip di memoria.

Nei chip logici o digitali (come i microprocessori per computer e telefoni cellulari), gli Stati Uniti non producono alcun nodo di processo avanzato (inferiore a 10 nanometri), mentre Taiwan ne possiede il 92%. In altre tecnologie di blocco logico, gli Stati Uniti sono molto all'avanguardia: il 43% dei chip logici più avanzati (10-22 nm) e dal 6% al 9% della generazione precedente (28 nm e inferiori a 10 nm).ove) i chip logici sono prodotti negli Stati Uniti; Taiwan produce il 47% di questi chip logici, mentre la Cina ne produce circa il 19-23%. Infine, per il segmento dei componenti analogici/discreti, il 19% è prodotto negli Stati Uniti, il 17% in Cina e circa il 27% in Corea.

(iv) Revisione della produzione di circuiti integrati

Gli Stati Uniti mancano di capacità produttiva al livello tecnologico più avanzato:

Gli Stati Uniti non dispongono di capacità produttiva per i nodi di processo più avanzati (attualmente a 5 nanometri), che sono gestiti al momento solo da TSMC (Taiwan) e Samsung (Corea del Sud). Il FAB più avanzato negli Stati Uniti è la linea di processo a 10 nm gestita da Intel, che non dovrebbe entrare nella produzione completa a 7 nm fino al 2023 e ha annunciato nel gennaio 2021 che utilizzerà la linea di processo a 7 nm "potenziata" di TSMC o sotto la linea di produzione per i suoi ultimi prodotti di circuiti logici. Di conseguenza, le aziende statunitensi di chip fabless ora si affidano quasi interamente ai produttori asiatici, in particolare TSMC, per produrre i chip più avanzati (7 nm o più piccoli). Oltre ai rischi per la catena di fornitura causati dalla produzione geograficamente concentrata, la mancanza di capacità tecnologiche nazionali all'avanguardia solleva preoccupazioni per la sicurezza nazionale, poiché alcune applicazioni richiedono un accesso sicuro a tecnologie di processo all'avanguardia per garantire la superiorità tecnologica.

I ricavi derivanti dalle vendite di prodotti chip dipendono dalla Cina:

Anche i produttori di chip americani fanno molto affidamento sulle vendite in Cina a causa della sua posizione dominante nella produzione di elettronica. La Cina è il più grande mercato per i semiconduttori, la maggior parte dei quali vengono riesportati quando vengono assemblati in componenti elettronici terminali, compresi l’elettronica di consumo e gli elettrodomestici. Ad esempio, secondo i dati del 57 di The Economist, il fornitore di chip per telefoni cellulari Qualcomm ha ottenuto due terzi delle sue entrate dalla Cina, mentre il produttore di memorie Micron ha ottenuto il 2018% delle sue entrate dalla Cina. Intel ha riferito nel 2020 che la Cina rappresentava il 26% delle sue entrate. La forte dipendenza dalle vendite cinesi fornisce al governo cinese una leva economica e il potenziale per ritorsioni contro gli Stati Uniti.

Il desiderio della Cina di guidare l'industria dei semiconduttori:

La quota della Cina nell’industria globale dei semiconduttori è relativamente piccola e le sue aziende producono principalmente chip di fascia bassa. SMIC, la fonderia pura più avanzata della Cina, può produrre solo su nodi a 14 nanometri e ha una capacità limitata. Tuttavia, la Cina è nel bel mezzo di un importante sforzo guidato dallo Stato per sviluppare il suo settore IDM interno e integrato verticalmente, con l’obiettivo di rendere il settore leader in tutti i campi entro il 2030. La quota cinese di capacità di wafer semiconduttori era pari al 16% nel 2019, ma si prevede che crescerà fino al 28% entro il 2030. Il governo cinese sta fornendo sussidi per 100 miliardi di dollari all’industria dei semiconduttori, compreso lo sviluppo di 60 nuovi impianti di produzione. Come discusso nella parte "progettazione" della catena di fornitura, la Cina ha sovvenzionato in modo aggressivo i propri produttori di chip di memoria per rompere la propria dipendenza dalle tre maggiori società di memorie del mondo: Samsung (Corea del Sud), SK Hynix (Corea del Sud) e Micron (Stati Uniti). ). Micron, una società statunitense di memorie, è un concorrente diretto dello storage di Changjiang e probabilmente sarà la prima azienda statunitense a vedere la sua futura competitività e innovazione minacciate dai sussidi cinesi ai suoi concorrenti.

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