[Inleiding] In februari 2021 ondertekende Joe Biden, president van Citigroup, uitvoeringsbesluit nr. 14017, waarin zijn regering werd opgedragen een uitgebreide evaluatie uit te voeren van de toeleveringsketens in vier belangrijke sectoren: halfgeleiders, nieuwe energiebatterijen, zeldzame aardmetalen en medische benodigdheden. Het doel was risico's te identificeren, kwetsbaarheden aan te pakken en strategieën te ontwikkelen om de veerkracht van de toeleveringsketens te verbeteren. Toen de president het besluit ondertekende, citeerde hij het spreekwoord: "Bij gebrek aan spijkers wordt de schoen weggegooid. Bij gebrek aan hoefijzers raakt het paard verdwaald," enzovoort, totdat het koninkrijk ten val komt. De kleinste hapering in de toeleveringsketen kan de Amerikaanse veiligheid, banen, gezinnen en gemeenschappen in gevaar brengen. Om deze uitgebreide evaluatie uit te voeren, richtte de regering-Biden een interne taskforce op, bestaande uit vertegenwoordigers van meer dan een dozijn federale ministeries en agentschappen. Ambtenaren van de regering hebben overleg gepleegd met vakbonden, het bedrijfsleven, academische instellingen, het Congres en Amerikaanse bondgenoten en partners om kwetsbaarheden te identificeren en oplossingen te ontwikkelen.

Het beoordelingsrapport van Citi State wordt in juni 2021 verwacht.

1. Over halfgeleiders

Halfgeleiders vormen de materiële basis van geïntegreerde schakelingen die essentieel zijn voor het moderne dagelijks leven. Halfgeleiders zijn een integraal onderdeel van het dagelijks leven van moderne consumenten en zijn te vinden in huishoudelijke artikelen zoals lichtschakelaars, garagedeuropeners en koelkasten, maar ook in mobiele telefoons, computers en auto's. Ze zijn ook te vinden in complexere producten. Moderne mensen gebruiken ze dagelijks (bijvoorbeeld elk uur, elke minuut, elke seconde). Geïntegreerde schakelingen op basis van halfgeleiders vormen het "DNA" van een verscheidenheid aan technologieën die alle sociaaleconomische sectoren fundamenteel hebben veranderd, van landbouw en transport tot gezondheidszorg, telecommunicatie en internet. De halfgeleiderindustrie is een belangrijke motor voor economische groei en werkgelegenheid bij Citi. Vrijwel alle technologische producten zijn onlosmakelijk verbonden met halfgeleiders; de meest geavanceerde systemen zijn natuurlijk ook onlosmakelijk verbonden met de ondersteuning van halfgeleiders.

Het rapport schat dat de Amerikaanse halfgeleiderindustrie in 208 een jaaromzet zal hebben van 2020 miljard dollar, goed voor bijna de helft van de wereldmarkt. Ondanks de wereldwijde COVID-19-pandemie is de wereldwijde verkoop van halfgeleiderproducten in 6.5 met 2020% gestegen. Volgens schattingen van SIA zal de mondiale halfgeleidermarkt in 726 een jaaromzet van 2027 miljard dollar bereiken, met een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 4.7%. Halfgeleiders zijn een belangrijk exportproduct van de VS, met een exportomzet van 47 miljard dollar in 2020, en staan ​​op de vierde plaats na vliegtuigen, geraffineerde olie en ruwe olie.

Hoewel de Amerikaanse halfgeleiderindustrie bijna de helft van de mondiale opbrengsten uit halfgeleiderproducten voor haar rekening neemt, gaat het evaluatierapport ervan uit dat de Amerikaanse halfgeleiderproductiecapaciteit als aandeel van de mondiale productie is gedaald van 37% twintig jaar geleden naar ongeveer 20% nu. Amerikaanse bedrijven, waaronder grote halfgeleiderbedrijven, zijn sterk afhankelijk van het buitenland, vooral in Azië, wat risico's met zich meebrengt voor de toeleveringsketen.

Het onderzoeksrapport onderzoekt de toeleveringsketen van halfgeleiders aan de hand van vijf gerelateerde fundamentele onderdelen: (1) ontwerp; (2) productie; (3) montage, testen en verpakken; (4) materialen; en (5) productieapparatuur.

2. Basisconclusies:

ontwerp:

Het Amerikaanse ecosysteem voor het ontwerpen van halfgeleiders is sterk en toonaangevend in de wereld, maar Amerikaanse bedrijven zijn sterk afhankelijk van de verkoop aan China om de winstgroei en binnenlandse (let op: binnenlandse) investeringen in onderzoek en ontwikkeling (R&D) op peil te houden. Bovendien vertrouwen Amerikaanse ontwerpbureaus voornamelijk op beperkte intellectuele eigendom (IP), arbeidskrachten en productiemiddelen om zaken te doen. Deze hulpbronnen zijn van cruciaal belang om producten op de markt te brengen.

vervaardiging:

De Verenigde Staten beschikken niet over voldoende productiecapaciteit voor halfgeleiders. De Verenigde Staten zijn vooral afhankelijk van Taiwan voor het leveren van logica-chips op geavanceerde procesknooppunten, en vertrouwen op Taiwan, Zuid-Korea en het vasteland van China om aan de vraag naar volwassen procesknooppuntchips te voldoen.

Geteste en geavanceerde verpakking:

Voor het relatief low-tech back-end verpakken en testen van halfgeleiders zijn de Verenigde Staten sterk afhankelijk van buitenlandse hulpbronnen die geconcentreerd zijn in Azië. Bovendien vormen geavanceerde verpakkingsmethoden, naarmate chips complexer worden, een potentieel ontwikkelingsgebied voor grote technologische vooruitgang in de toekomst. De VS ontberen het noodzakelijke materialenecosysteem, en de VS zijn geen kosteneffectieve locatie om een ​​robuuste, geavanceerde verpakkingsindustrie te ontwikkelen, en zware Chinese investeringen zouden de markt kunnen opschudden.

Materiaal:

Voor de productie van halfgeleiders zijn honderden materialen nodig, wat uitdagingen creëert voor de toeleveringsketen van de productie. Veel gassen en natte chemicaliën die bij de productie van halfgeleiders worden gebruikt, worden in de Verenigde Staten geproduceerd, maar buitenlandse leveranciers domineren de markt voor siliciumwafels, fotomaskers en fotoresists.

Fabricage-apparatuur:

Naast lithografiemachines hebben Amerikaanse bedrijven voor de meeste front-end procesapparatuur voor de productie van halfgeleiders een groot deel van de wereld.

Naast de Verenigde Staten is de productie van productieapparatuur geconcentreerd in Nederland en Japan. Vanwege de beperkte omvang van de halfgeleiderproductie in de Verenigde Staten is de groei van deze apparatuurfabrikanten sterk afhankelijk van de omzet buiten de Verenigde Staten.

3. Over het ontwerp van geïntegreerde schakelingen

Historisch gezien was het ontwerp van geïntegreerde schakelingen in de beginfase van de ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie (chipindustrie) geen onafhankelijke industrie. Het ontwerp van geïntegreerde schakelingen wordt gedaan door IDM-bedrijven die het gehele productieproces beheersen. Zoals Intel en Texas Instruments in de Verenigde Staten zijn typische vertegenwoordigers van dergelijke ondernemingen. Tegenwoordig wordt het IC-ontwerp in toenemende mate gedaan door meer gespecialiseerde "fabless-ontwerpbedrijven" die afhankelijk zijn van onafhankelijke productiebedrijven (gieterijen) om de productie van IC's te voltooien. De toename van het aantal gieterijen en aanverwante investeringen heeft het gemakkelijker gemaakt om de ontwerpindustrie voor geïntegreerde schakelingen te betreden. Dit resulteert in een aanzienlijk lagere concentratie in de ontwerpindustrie van geïntegreerde schakelingen dan in de productie- en apparatuurproductie, en maakt de productie van geïntegreerde schakelingen sterk afhankelijk van Taiwan.

Hoewel de toetredingsdrempels laag zijn, moeten fabelloze ontwerpbedrijven nauw samenwerken met gieterijen om ervoor te zorgen dat ontwerpen geschikt zijn voor het productieproces, en zij vertrouwen op IP-leveranciers (meestal andere halfgeleiderbedrijven die sleuteltechnologieën ontwikkelen), evenals elektronische ontwerpautomatisering (EDA). ondersteuning van softwarebedrijven. Zowel de upstream- als downstreamfasen van de IC-ontwerpindustrie zijn sterk geconcentreerd. Belangrijke IP-providers en EDA-providers hebben hun hoofdkantoor voornamelijk in de Verenigde Staten, maar de meeste van hun beoefenaars bevinden zich buiten de Verenigde Staten.

Industriële structuur

Vanwege de verschillende soorten producten waarmee ondernemingen zich bezighouden, zijn de schaal, de technologie en de structuur van ondernemingen die zich bezighouden met het ontwerpen van halfgeleiders of geïntegreerde schakelingen zeer verschillend. Dit rapport verdeelt halfgeleiders met geïntegreerde schakelingen in drie hoofdtypen: logische of digitale schakelingen, geheugen en analoge schakelingen. In 2020 zijn logische of digitale geïntegreerde schakelingen goed voor ongeveer 42% van het totale marktaandeel; geheugenproducten zijn goed voor ongeveer 26%; analoge geïntegreerde schakelingen zijn goed voor ongeveer 14%; Andere halfgeleiderproducten zijn niet-geïntegreerde schakelingen, waaronder discrete apparaten, opto-elektronische apparaten en sensorapparatuur.

Logische of digitale geïntegreerde schakelingen zijn de basiseenheden van computers of computercomponenten en vormen de grootste categorie op de markt voor halfgeleiderproducten. Volgens de World Semiconductor Association SIA zijn logicachips verantwoordelijk voor 42 procent van de omzet van de industrie. In deze categorie halfgeleiderproducten zijn de marktconcentratie en het aantal ontwerpbedrijven sterk afhankelijk van het specifieke chiptype. De markten voor de personal computer central processing unit (CPU), dedicated graphics processing unit (GPU) en field programmable gate array (FPGA) vormen een duopolie. De leveranciers van toepassingsspecifieke geïntegreerde schakelingen (ASIC's) zijn zeer gefragmenteerd en hun concurrentie is heviger. Productcategorieën omvatten ASIC- en ARM-gebaseerde processors voor mobiele apparaten. Een CPU is de centrale verwerkingseenheid van een computer, een GPU is een processor die wordt gebruikt voor videoweergave, een FPGA-product wordt gebruikt voor configuratie door een klant of ontwerper na productie, en een ASIC is een op maat gemaakte chip die is ontworpen voor een specifieke toepassing.

Het rapport is van mening dat de Verenigde Staten de wereldleider zijn op het gebied van het ontwerpen van geïntegreerde schakelingen, en dat veel bedrijven de productie uitbesteden of ontwerpers buiten de Verenigde Staten plaatsen om de kapitaaluitgaven te verminderen. Kortom, alle CPU's van personal computers ter wereld zijn ontworpen door de Amerikaanse bedrijven Intel en AMD, waaronder Intel de chipproductie in eigen huis voltooit, terwijl AMD voor de volledige chipproductie afhankelijk is van gieterijen. Ondertussen kunnen Intel en AMD binnenkort de FPGA-categorie domineren, aangezien AMD in oktober 2020 aankondigde dat het van plan was FPGA-marktleider Xilinx over te nemen voor $ 35 miljard. Als de overname goedkeuring krijgt van de toezichthouders, zouden AMD-Xilinx en Intel ongeveer 85 procent van de wereldwijde FPGA-omzet voor hun rekening nemen. Andere Amerikaanse leveranciers Microchip Technology, Lattice Semiconductor en Achronix Semiconductor vormen de rest van de FPGA-markt. Het grootste deel van de wereldwijde GPU is in handen van AMD en het marktleidende Amerikaanse bedrijf NVIDIA.

De concurrentie binnen het ASIC-leveranciersbestand is aanzienlijk toegenomen en de vraag naar op ARM-architectuur gebaseerde processors voor mobiele apparaten is groot. Chipmakers zoals Samsung concurreren op de ASIC- en mobiele processormarkten naast fabelachtige ontwerpbureaus als Qualcomm en Broadcom, en tientallen Amerikaanse technologiebedrijven die hun eigen chips ontwerpen, waaronder Apple, Alphabet en Amazon. Met uitzondering van Intel en Microchip zijn de meeste CPU-, GPU-, FPGA- en ASIC-leveranciers wereldwijd en in de VS fabelachtig en vertrouwen ze op de productie van gieterijen om chips te ontwerpen.

Volgens SIA zijn geheugenchips die worden gebruikt om informatie op te slaan die nodig is voor computers, verantwoordelijk voor 26% van de omzet van de industrie. Geheugenchips zijn volledig gecommercialiseerde en concurrerende categorieën, en hun voordelen en technologische vooruitgang zijn volledig afhankelijk van de opbrengst en schaalvoordelen. Geheugenproducten worden doorgaans geleverd door bedrijven van het IDM-type. Het Zuid-Koreaanse Samsung en het Zuid-Koreaanse SK Hynix bekleden de leidende positie op het gebied van dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen (DRAM). Het Amerikaanse bedrijf Micron heeft ongeveer 23 procent. De marktleiders ontwikkelen nu geavanceerde verpakkingstechnologieën (dwz het stapelen van matrijzen) en IP voor andere toonaangevende producten. Deze drie bedrijven zijn in 95 goed voor grofweg 70% van de mondiale markt van $2020 miljard.

De productie van flashgeheugen (NAND) is minder geconcentreerd, waarbij naar schatting zes bedrijven in 99 ongeveer 47% van de wereldmarkt ter waarde van 2020 miljard dollar voor hun rekening nemen. Het Zuid-Koreaanse Samsung is ook marktleider op het gebied van flashgeheugenproducten, met iets meer dan een derde van de NAND-productie. markt. Het Zuid-Koreaanse Samsung wordt gevolgd door het Japanse Kioxia (voorheen Toshiba), dat een aandeel van ongeveer 20 procent heeft. De derde plaats voor flash-geheugenproducten is Western Digital Corporation uit de Verenigde Staten, goed voor ongeveer 14% van het aandeel. Ook in dit segment bevinden zich SK Hynix in Zuid-Korea (12%), Micron in de VS (11%) en Intel in de VS (9%). Mondiale NAND-bedrijven lijken zich op te maken voor verdere consolidatie. Intel, wiens NAND-productomzet vergelijkbaar is met die van Micron, kondigde in oktober 2020 aan dat het van plan was het grootste deel van zijn NAND-geheugenactiviteiten aan SK Hynix te verkopen. De verkoop zal het gecombineerde bedrijf naar de tweede plaats brengen wat betreft NAND-marktaandeel. Er zijn ook berichten dat Western Digital en Micron mogelijk Kioxia willen overnemen. Bovendien breidt Yangtze Memory Technologies (YMTC), een Chinees bedrijf opgericht in 2, zich snel uit en heeft het ongeveer 2016 miljard dollar aan subsidies ontvangen. Bronnen van de Chinese overheid. Het bedrijf zou tegen 24 in staat kunnen zijn om maar liefst 200,000 wafers per maand te produceren, meer dan het dubbele van de huidige NAND-capaciteit van Intel, en een potentiële goedkope bedreiging voor Amerikaanse geheugenbedrijven.

Vergeleken met geheugenchips is de commercialisering van analoge geïntegreerde schakelingen minder concurrerend. En bovendien zijn analoge circuits over het algemeen minder afhankelijk van het gebruik van geavanceerde fabricageprocesknooppunten. Het eindgebruik in het applicatiesysteem, kennis en ervaring met het ontwerpen van de chip zijn belangrijke factoren in de waarde van analoge geïntegreerde schakelingen. Daarom is de marktconcentratie van productbedrijven hier niet te hoog, omdat bedrijven met analoge geïntegreerde schakelingen een concurrentievoordeel kunnen behouden door zich op het analoge gebied te concentreren. In 2020 was 's werelds grootste leverancier van analoge geïntegreerde schakelingen goed voor 62% van de markt van $ 56 miljard, waarvan alleen Texas Instruments meer dan 10% van de markt voor zijn rekening nam. Veel van de toonaangevende analoge halfgeleiderbedrijven zijn 'fab-lite'-producenten, die een deel van de chips die ze ontwerpen in eigen huis maken, hoewel ze ook een groot deel van de chips uitbesteden.

In 2020 zal de wereldwijde verkoop van discrete apparaten, opto-elektronische apparaten en sensoren (niet-geïntegreerde halfgeleiders) in halfgeleiderproducten ongeveer $79 miljard bedragen, goed voor bijna 18% van de totale halfgeleidermarkt (totaal ongeveer $440 miljard). De meeste halfgeleiderproducten in deze categorie bevinden zich in volwassen procesknooppunten waar ze goedkoop zijn en het is niet ongebruikelijk dat een enkel product een cent waard is. De markt voor dergelijke producten is zeer gefragmenteerd en kent talrijke fabrikanten. Niet-IC-halfgeleiderbedrijven zijn onder meer ABB Ltd. (Zweden/Zwitserland), Infineon Technologies (Duitsland), STM Microelectronics (Italië/Frankrijk), Toshiba (Japan), evenals de Amerikaanse bedrijven Diodes Inc., Vishay Intertechnology, Qorvo, dPix en Cree. De belangrijkste drijvende technologieën voor niet-geïntegreerde halfgeleiderproducten, vooral discrete vermogenshalfgeleiderproducten, zijn innovaties op het gebied van energiebeheer en miniaturisatie. Dergelijke producten gebruiken auto's, vooral elektrische voertuigen, als belangrijke toepassingsterminals. Het door de VS gedomineerde galliumnitride (GaN), siliciumcarbide (SiC) en andere samengestelde halfgeleidersubstraten zijn sleuteltechnologieën voor een verscheidenheid aan toepassingen. Ze worden veel gebruikt in energiebeheer en -distributie, hoogfrequente vermogensversterking, opto-elektronica en nationale veiligheid. Halfgeleiderapparaten met platte beeldschermen vallen ook in deze categorie.

Op het gebied van nationale veiligheid moet halfgeleidertechnologie ook geschikt zijn voor gebruik in het temperatuurbereik (extended range) en zware omstandigheden, inclusief technische kenmerken voor gebruik in stralingsomgevingen waar van toepassing. Daarnaast zijn strengere en onafhankelijke componentverificatie en -validatie vereist. Halfgeleiders die in automobieltoepassingen worden gebruikt, moeten ook voldoen aan strenge duurzaamheids- en testvereisten om zware omgevingsomstandigheden (bijv. extreme kou, extreme hitte en extreme vochtigheid) te weerstaan. Ze moeten bestand zijn tegen trillingen en schokken gedurende de levensduur van 10 tot 20 jaar van het voertuig, en hebben in tests veel lagere faalpercentages laten zien dan halfgeleiders die in consumentenproducten worden gebruikt om te garanderen dat ze voldoen aan de veiligheidseisen voor voertuigen. Deze eisen zullen naar verwachting toenemen en strenger worden naarmate voertuigen autonomer worden en steeds meer gebruikmaken van lichtdetectie- en afstandsbepalingstechnologie (LiDAR), sonar, radar, beeldsystemen en navigatie- en identificatietechnologieën.

Disclaimer: dit artikel is overgenomen uit "Mr. Wang Lao's Wine Restaurant Whisper". Dit artikel vertegenwoordigt alleen de persoonlijke mening van de auteur, niet de mening van Saco Micro en de industrie. Het is alleen bedoeld voor herdrukken en delen, en ondersteunt de bescherming van intellectuele eigendomsrechten. Geef voor herdruk de originele bron en auteur aan. Als er sprake is van inbreuk, neem dan contact met ons op om deze te verwijderen.