(パート I に続く: 集積回路設計)

4、集積回路製造について

(I) シティグループによる IC 製造業界の基本推計

半導体製品は、エネルギー、ヘルスケア、農業、家庭用電化製品、製造、輸送など、経済のほぼすべての分野を動かしています。 2019 年の世界の半導体最終用途需要は、携帯電話 (26%)、情報通信インフラストラクチャー (データセンター、通信ネットワークを含む) (24%)、 コンピューター (19%)、産業 (12%)、自動車 (10%)、家庭用電化製品 (10%)。

これらの多様なアプリケーションのうち、約 9% は国家安全保障および重要インフラのアプリケーションを直接サポートしています。 これらの主要な半導体製品の最終用途には、航空宇宙、電気通信ネットワーク、エネルギーと公共事業、医療、金融サービスが含まれます。 およびその他の政府用途は、世界の半導体消費量の 1% 強を占めています。

世界の半導体生産に占める米国のシェアは37年の1990％から現在は12％に低下しており、業界を支援する米国の包括的な戦略がなければさらに低下すると予想されている。

米国の製造能力は不十分です: 米国の製造能力は数十年にわたり低下しています。今世紀の最初の 2000 年間は米国の製造業にとって特に壊滅的なもので、2010 年から 25 年の間に製造業の雇用の XNUMX 分の XNUMX が失われました。中小企業 (SME) は特に大きな打撃を受けました。減少の一因は、低賃金国との競争にあると考えられる。経済学者らは、雇用喪失の約XNUMX％は、特に中国が世界貿易機関に加盟した後の台頭が原因である可能性があると推定している。しかし、米国はまた、国内の生産性の伸びが同国経済諸国と比べて停滞しており、たとえば、平均してほとんどの産業でドイツに後れを取っている。現在、米国の中小企業は通常、大規模製造業者に比べて生産性が低くなります。人工知能とロボット工学がもうすぐそこまで来ているという一般的な考えに反して、米国の中小企業製造業者は、生産性を向上させる新しいテクノロジーへの投資が不足しています。製造能力の喪失は、イノベーション能力の喪失につながります。製造能力は製品革新の基盤です。一度イノベーション能力が失われると、再構築するのは困難です。ここ数十年で集積回路の生産能力が海外に移転すると、多くの場合、研究開発やより広範な産業サプライチェーンもそれに追随してきました。

(2) 半導体製品のサプライチェーン

設計からパッケージング、顧客が購入する最終的な電子製品への統合に至るまで、産業チェーンは非常に複雑で地理的に分散しています。一般的な半導体製造プロセスには複数の国が含まれており、同社が特定のリンクに特化しているため、製品は 70 回も国境を越えることがあります。プロセス全体には最大 100 日かかり、そのうち 12 日はサプライ チェーンのリンク間で移動されます。以下はサプライチェーンを簡単に表したものです。

半導体製品の小型軽量化は、このような地理的に複雑なサプライチェーンを実現する上で重要な要素です。半導体製品の輸送コストは、その価値に比べて安価です。しかし、これは輸送ルートの寸断がサプライチェーンにリスクをもたらす可能性があることも意味します。チェーンでは、ステージや移動距離、製品の性質に応じて、さまざまな輸送手段（航空、海上、トラックなど）を使用する必要があります。場合によっては、輸送には、製造で使用される危険な高純度のガスや化学物質の取り扱い、または繊細な電子機器の損傷からの保護など、特殊な取り扱いも必要になります。

半導体製造：産業構造

ウェーハを処理して集積回路を製造する工場には、44 つの基本的なビジネス モデルがあります。 51 つ目は、垂直統合型の半導体企業または IDM 企業です。設計から最終テストまで、半導体製品の設計と製造プロセスのすべてのステップを社内で実行します。 IDM企業は世界の半導体生産能力の約2020分のXNUMXを占めています。米国の大手 IDM 企業である Intel は主にロジック デバイスを生産していますが、他のほとんどの IDM 企業は主に DRAM などのメモリ チップ、ディスクリート デバイス、アナログ集積回路を生産しています。米国には、インテルに加えて、アナログ・デバイセズ、マキシム・インテグレーテッド・プロダクツ、マイクロチップ・テクノロジー、ミクロン、半導体およびテキサス・インストゥルメントなど、世界有数の IDM 企業がいくつか本拠地を置いています。これらの企業は米国に本社を置きながら、最終製品の製造は世界中の工場で行っていることは注目に値します。たとえば、インテルは米国に加えて、イスラエル、アイルランド、中国にもウェーハ処理工場を持っています。そして、韓国に本拠を置くサムスンやその他の外国（​​非アメリカ）企業は、海外（アメリカ以外）のチップ工場に加えて、アメリカにもチップ工場を持っています。 SIA の報告書によると、米国の半導体企業の生産能力の XNUMX% が米国にあります。全体として、米国の IDM 企業は、XNUMX 年に世界の IDM メーカーの総営業収益の XNUMX% を占めました。米国は特にデジタル ロジック集積回路とアナログ集積回路に強いです。

他にもアメリカの半導体製品をリードする企業（AMD、nvidia、broadcom、qualcomm、ゲームスピリットなど）は「ノーファブ半導体企業」のビジネスモデルであり、企業は半導体ファウンドリの製造に特化した独立した会社にデータを設計して提供します。ファウンドリ企業によってチップ製品の製造と加工が行われます。これらのサードパーティ ファウンドリは、独自のチップ製品の設計や販売を行わず、むしろファブレス半導体企業の受託製造業者として機能するため、「純粋な半導体ファウンドリ」として分類されます (これらのファウンドリは、追加の容量を提供したり、IDM 用に特定のチップを製造したりする場合があります)ベンダー）。一部の IDM 企業、特にサムスンは、ファブレス半導体企業に処理サービスも提供しています。

テクノロジーが進歩し、最先端の半導体製造施設の構築と維持にかかるコストが高騰するにつれて、ファブレス企業 + ファウンドリのビジネス モデルがより一般的になってきています。チップ製造技術の継続的な進歩により、まったく新しい、ますます高価な製造装置が必要になります。最先端のファブ (5nm プロセス ノード) には少なくとも 12 億ドルの費用がかかります。 5 nm 以下で必要とされ、7 nm で使用されることが多い極紫外線 (EUV) リソグラフィー マシン 150 台のコストは、3 億 20 万ドルにも達する可能性があります。フォトリソグラフィー装置に加えて、工場には他の多くの種類の装置が必要です。 80nm ノードで動作する次世代ファブに必要な投資は 1987 億ドルを超える可能性があると推定されています。さらに、新しい工場の設立後の運営コストは非常に高くなり、継続的で高価な設備投資が必要になります。最先端の生産ノードで稼働し続けるためには、プロセス設計者が必要とする最先端のテクノロジーを維持することも必要です。純粋なファウンドリは、半導体工場の莫大なコストを、高い効率的な設備利用率で吸収し、吸収することができる規模の経済の恩恵を受けています。 SIA によると、純粋なファウンドリは世界のチップ生産能力の約 XNUMX 分の XNUMX を占めています。このうちロジックチップの生産はXNUMX割近くを占めた。台湾積体電路製造会社 (TSMC) は、世界初のピュアウェーハファウンドリであり、XNUMX 年に設立され、今日ファウンドリ市場を支配しています。

受託製造市場は台湾企業が独占しており、TSMCだけで市場の53％を占めている。全体として、台湾の鋳造会社は世界の鋳造市場の 63% を占めています。韓国が18％、中国が6％となっている。米国に本拠を置き、ABU ダビが所有するファウンドリである GlobalFoundries は、ファウンドリ市場の残り 7 パーセントの半分以上を占める 13 パーセントのシェアを占めています。

前述したように、米国は IDM 企業が製造するチップにおいて大きな市場シェアを持っていますが、世界のファウンドリ収益の約 10% にすぎません。アジアのファウンドリが全体の約80割を占める。台湾だけで世界の受託製造の63パーセントを占めています。これは、米国が半導体設計のリーダーである一方で、国内のファブレス企業が製品の製造を主にアジアの外国の委託製造業者に大きく依存していることを意味する。このエージェント ビジネス モデルは、大量商用アプリケーション向けの集積回路製品には適していますが、多くの関連アプリケーションは小規模なバッチであるため、アプリケーションへの高度な半導体製造技術の導入は不確実で困難なものとなっています。

米国の場合、半導体製造（IDM モデルとファウンドリ モデルの両方）の大部分は、台湾、韓国、日本、中国、米国といった海外で行われています。世界の半導体製造能力の約12％が米国に集中しており、37年代の1990％から減少している。 2019年には世界の設備容量の約20％を台湾が占め、次いで韓国が19％となった。日本が17％、中国が16％、欧州が9％を占めた。残りの 6% の生産能力は、シンガポール、イスラエル、および世界のその他の地域にあります。

米国にある主要な半導体製造施設 40 施設のうち、半数 (20 施設) が 300 mm (12 インチ) ウェーハを使用しています。他の生産では 200 mm (8 インチ) 以下のウェーハが使用されます。 2009年から2018年にかけて、世界中で100以上の150～200mmウェーハ製造工場が閉鎖され、そのうち70%が米国と日本で閉鎖された。 IC Insights によると、68 ものウェーハ製造工場が数十年経過しており、妥当な耐用年数を超えています。閉鎖された工場の一部は、よりコスト効率の高い、またはアップグレードされた新しい施設に置き換えられます。運営コストが高すぎるファブもいくつかあり、企業は軽量ファブやファブレスのビジネスモデルに目を向けています。

国内では、以下の表に詳細に示すように、20 社が 300 つの州で XNUMX の XNUMX mm ファブを運営しています。スコーピオスに加えて、他のXNUMX社も米国外でウェーハ工場を運営している。

上で述べたように、インテルはイスラエル、アイルランド、中国で半導体製造事業を行っています。マイクロンは米国の工場に加えて、シンガポール、日本、台湾でも工場を運営しています。テキサス・インスツルメンツは、テキサス州のほか、中国、マレーシア、台湾、フィリピンでもウェーハを生産しています。 GlobalFoundries は米国有数のピュアウェーハファウンドリであり、ソブリンウェルスファンドのムバダラを通じてアブダビ首長国に所有されており、ドイツとシンガポールにウェーハ製造施設を持っています。同社は2019年に中国の成都に工場を開設する計画を中止した。

米国のチップ製造能力は比較的安定していますが、米国外、特にアジアでの能力と生産が増加しています。その結果、SIAは、半導体生産能力に占める米国のシェアが10年までに2030％に低下する一方、アジアのシェアは83％に増加すると予測している。 2019年に世界で新たに開設された半導体製造施設XNUMXカ所はいずれも米国にはなく、XNUMXカ所が中国にあった。

このレポートの「設計」セクションで説明したように、メモリ、ロジックまたはデジタル、およびアナログの 5 つの主要なタイプのチップがカバーされています。以下の図が示すように、世界のさまざまな地域でさまざまな分野が専門化されています。たとえば、メモリ チップの 44% のみが米国で生産されているのに対し、韓国では 14%、中国本土では 24% です。中国が長江貯蔵所の急速な拡大に注力し、同社に（武漢工場だけで）XNUMX億ドルの補助金を割り当てたのは記憶に新しい。その拡張と低価格製品は、米国のメモリチップメーカーであるMICronとWestern Digitalにとって直接的な脅威となっている。

ロジックまたはデジタル チップ (コンピュータや携帯電話のマイクロプロセッサなど) では、米国は高度なプロセス ノード (10 ナノメートル未満) を生産していませんが、台湾が 92 パーセントを生産しています。他のロジック ロック テクノロジでは、米国が非常にリードしています。最先端 (43 ～ 10 nm) ロジック チップの 22%、前世代 (6 nm および ab) の 9 ～ 28%ove) ロジックチップは米国で製造されています。 台湾はこのようなロジックチップの47％を生産しており、中国はロジックチップの約19～23％を生産している。 最後に、アナログ/ディスクリートコンポーネントセグメントでは、19% が米国、17% が中国、約 27% が韓国で生産されています。

(iv) 集積回路製造の見直し

米国には最先端の技術レベルでの生産能力がありません。

米国には最先端の半導体プロセスノード（現在5ナノメートル）の半導体生産能力が不足しており、現在TSMC（台湾）とサムスン（韓国）のみが運営している。 米国で最も先進的なFABは、Intelが運営する10nmプロセスラインであるが、完全な7nm生産に入るのは2023年になる見込みで、2021年7月にTSMCの「強化された」XNUMXnmまたはXNUMXnmを使用すると発表した。最新の論理回路製品の生産ラインの下にあります。 その結果、米国のファブレスチップ企業は現在、最先端チップ（7nm以下）の生産をアジアのメーカー、特にTSMCにほぼ全面的に依存している。 地理的に集中した生産によって生じるサプライチェーンのリスクに加え、一部のアプリケーションでは技術的優位性を確保するために最先端のプロセス技術への安全なアクセスが必要となるため、最先端の国内技術力の欠如が国家安全保障上の懸念を引き起こします。

チップ製品の販売による収益は中国に依存します。

米国のチップメーカーはまた、電子機器生産における中国の優位性を理由に、中国への販売に大きく依存している。 中国は半導体の最大の市場であり、そのほとんどは家電製品や電化製品を含む端末電子機器に組み立てられる際に再輸出されます。 たとえば、エコノミスト誌の57年のデータによると、携帯電話チップサプライヤーのクアルコムは売上の2018分のXNUMXを中国から得ており、メモリメーカーのマイクロンは売上のXNUMX％を中国から得ている。 インテルは2020年、売上高の26％を中国が占めていると報告した。 中国の販売に大きく依存していることで、中国政府は経済的影響力を持ち、米国に報復する可能性が高まっている。

半導体産業をリードしたいという中国の願望:

世界の半導体産業に占める中国のシェアは比較的小さく、中国企業は主にローエンドチップを製造している。 中国の最も先進的な純粋ファウンドリである SMIC は、14 ナノメートルのノードでしか生産できず、生産能力も限られています。 しかし、中国は、2030年までにこの業界をあらゆる分野でリーダーにすることを目標に、自国の垂直統合型IDM産業を発展させるための大規模な国家主導の取り組みの真っ最中である。 半導体ウェーハ生産能力に占める中国のシェアは16年には2019％だったが、28年までに2030％に増加すると予想されている。 中国政府は、100の新規製造工場の開発を含め、半導体産業に60億ドルの補助金を提供している。 サプライチェーンの「設計」の部分で述べたように、中国は世界3大メモリ企業であるサムスン（韓国）、SKハイニックス（韓国）、マイクロン（米国）への依存を打破するために、自国のメモリチップメーカーに積極的に補助金を出している。 ）。 米国のメモリ会社マイクロンは長江ストレージの直接の競合他社であり、競合他社に対する中国の補助金によって同社の将来の競争力とイノベーションが脅かされる最初の米国企業となる可能性が高い。

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